автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Совершенствование технологии малоизносной электроэрозионной обработки высокоточных малых отверстий

9 15-5/487

На правах рукописи

Пуэачева Елена Ивановна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАЛОИЗНОСНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОТОЧНЫХ МАЛЫХ ОТВЕРСТИЙ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск - 2015

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им, В.Г.Шухова»

Научный руководитель:

Бойко Анатолий Федорович

доктор технических наук, доцент

ФГБОУ ВПО БГТУ им. В.Г.Шухова кафедра «Технология машиностроения» профессор.

Официальные оппоненты:

Газизуллин Камиль Мирбатович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», кафедра «Динамика и прочность машин», профессор Кадырметов Анвар Минирович доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный лесотехнический университет им.

Г.Ф.Морозова», кафедра производства, ремонта и эксплуатации машин, профессор

им.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана»

Зашита состоится « 23 » сентября 2015 г. в 14°° в конференц-зале на заседании диссертационного совета ДМ212.037.04, на базе ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (ВГТУ), ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» (БГТУ), ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ), по адресу: 241035, г. Брянск, ул. Харьковская, д.Ю-Б, учебный корпус №4, ауд. Б101

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» и на сайте http://www.tu-bryansk.ru/conlent/naulca/zacsh

д

Автореферат разослан « » июля 2015г.

Ученый секретарь диссертационного сонета

Кириллов О.Н.

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ " 2 ?

11

Актуальность темы. Исходя из того, что в общем случае процесс электроэрозионной размерной обработки материалов - результат взаимодействия потока энергии с веществом, задача состоит не только в том, как подвести энергию к веществу, но и как заставить вещество за короткие промежутки времени поглотить всю подведенную энергию, ограничив ее распространение на электрод-инструмент. В процессе обработки форма и размеры электрода-инструмента нарушаются из-за износа. Разрушение электродов при электроэрозионной обработке металлов происходит в основном под влиянием электротеплового воздействия искры. Усилия ряда исследователей были направлены в основном на изыскание эрозионностойких материалов для электрода-инструмента; также обрабатывались различные виды жаропрочных материалов и твердых сплавов в разных диэлектрических средах; рабочие электроды изготавливались из всевозможных композиций металлов и их окислов. Тщательно изучалась зависимость износа электрода от типа источника питания электроискрового станка, напряжения на искровом промежутке, длительности и формы импульсов и многих других факторов. Несмотря на достижения в исследуемом направлении, проблема снижения износа электрода для прецизионной электроэрозионной обработки, в число которой входит прошивка малых отверстий, остается актуальной. А именно, при прошивке малых прецизионных отверстий износ во многом определяет точность обработки, а значит качество обрабатываемого изделия, его эксплуатационные характеристики. Получение прецизионных отверстий требуется при изготовлении деталей электронных приборов: детали магнитных блоков, выводы электровакуумных приборов, волноводы и т.д. В настоящее время освоено также массовое производство атравматических хирургических игл, в которых прошиваются микроотверстия. Обрабатывают микроотверстия в инструментальных производствах: в фильерах, волоках, а также в производстве топливной аппаратуры - форсунки, распылители и т.д. Поэтому решение проблемы снижения износа электрода-инструмента остается актуальной темой и представляет несомненный научный и практический интерес. В рамках проведенных теоретических и экспериментальных исследований, поставленные задачи выполнены полностью, что говорит о высокой степени разработанности данной диссертационной работы.

Цель исследований. Разработка методов и средств малоизносной технологии электроэрозионной прошивки малых отверстий, обеспечивающих существенное снижение износа электрода-инструмента, получение наибольшей производительности при обеспечении требуемой точности обработки.

Задачи исследований. В процессе выполнения работы поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести анализ методов снижения износа электрода-инструмента, выбрать перспективное направление исследований.

2. Разработать критерий комплексной оценки эффективности процесса электроэрозионной обработки малых отверстий, позволяющий выбрать оптимальное направление исследований и разработок.

3. Разработать метод оптимизации режимов электроэрозионной обработки малых отверстий по существующей технологий, обеспечивающий получение наибольшей производительности при ограничении по точности обработки и, следовательно, по износу электрода-иНструмента.

4. Исследовать возможность снижения износа электрода-инструмента и повышения эффективности процесса путем подключения в разрядную цепь генератора импульсов катушки индуктивности с оптимизацией ее конструкции и моделированием параметров процесса обработки.

5. Установить многофакторную зависимость и разработать методику оптимизации параметров процесса малоизносной обработки на модернизированном оборудовании, обеспечивающую получение наибольшей производительности при соблюдении требований по точности обработки и, следовательно, по износу электрода-инструмента.

6. Установить зависимость между шероховатостью обработанной поверхности и режимами малоизносной обработки на модернизированном оборудовании; разработать методику оптимизации режимов, обеспечивающую получение наибольшей производительности при соблюдении требований по шероховатости.

Научная новизна работы заключается в раскрытии закономерностей и связей в технологическом процессе и средствах реализации процесса малоизносной электроэрозионной прошивки малых отверстий, а также в решении научной задачи комплексной оценки процесса электроэрозионной прошивки малых отверстий при использовании различных режимов обработки с целью определения наиболее эффективных путей его совершенствования.

Положения, выносимые на защиту:

- теория и критерий комплексной оценки процесса электроэрозионной прошивки малых отверстий, позволяющие определить наиболее эффективные пути совершенствования технологии прошивки отверстий;

- закономерные связи между выходными параметрами процесса электроэрозионной прошивки отверстий и величиной дополнительной индуктивности высокой добротности в разрядной цепи генератора импульсов, позволившие найти оптимальное значение индуктивности, при котором обеспечивается наибольшая эффективность процесса;

- закономерные связи между входными и выходными технологическими параметрами процесса малоизносной электроэрозионной прошивки отверстий и разработанные на их базе методики оптимизации режимов обработки с целью получения наибольшей производительности при соблюдении требований по точности обработки и, следовательно, по износу электрода-инструмента для существующего и модернизированного оборудования;

- интерполяционная математическая модель зависимости шероховатости поверхности от энергии импульсов и индуктивности и созданная на ее базе методика нахождения оптимальных малоизносных режимов обработки, обеспечивающих получение наибольшей производительности процесса при соблюдении требований по шероховатости обработанной поверхности.

Методология и методы исследования. Исследования проводились на электроэрозионных станках 04ЭП-10М и 04ЭП-10МФ2 с использованием измерительных средств: измерительного микроскопа ММИ-2, профилографа-профилометра АБРИС ПМ-7.

При проведении экспериментальных исследований использовался метод математического планирования и статистической обработки результатов эксперимента; при исследовании шероховатости обработанной поверхности - профилографирование. При математическом моделировании использовались: графоаналитический метод, метод наименьших квадратов, метод средних.

Теоретическая и практическая значимость и внедрение результатов работы. По результатам исследований были разработаны технологический процесс малоизносной электроэрозионной обработки высокоточных малых отверстий, методики расчета оптимальных режимов малоизносной обработки как на существующем, так и модернизированном оборудовании, которые обеспечивают получение

наибольшей производительности при одновременном выполнении требований по точности отверстий и шероховатости обработанной поверхности. Разработанная технология необходима для повышения эффективности прошивки малых отверстий в атравматических хирургических иглах, твердосплавном инструменте для микросварки и микропайки интегральных микросхем, деталях электронных приборов, распылителях, форсунках, деталях гидропневморегулирующей аппаратуры, фильерах, волоках, ювелирном инструменте, многих изделиях аэрокосмической и оборонной техники. Результаты работы внедрены в ОАО «Белгородский завод «Ритм», а также учебный процесс БГТУ им. В.Г.Шухова при изучении дисциплин «Электрофизические, электрохимические и механические методы обработки поверхности», «Технологии машиностроения», «Планирование и организация эксперимента».

Достоверность результатов подтверждается полученной доказательной базой, применением классических закономерностей, хорошей сходимостью экспериментальных и теоретических результатов, подтверждением основных положений в процессе внедрения результатов на предприятии.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены: на II Международной научно-практической конференции «Перспективное развитие науки, техники и технологий» г.Курск, 2012г.; на Международной научно-практической конференции «Вопросы образования и науки: теоретический и методический аспекты» г. Тамбов, 2014г.; на Международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г.Шухова «Наукоемкие технологии и инновации (XXI научные чтения)», Белгород, 2014г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получены 2 патента на полезную модель.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 103 наименований; содержит 151 страницу машинописного текста, 48 таблиц, 41 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, степень ее разработанности, цели и задачи исследования, показана научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, а также

методы исследований, степень достоверности и апробация результатов.

В первой главе проведен подробный анализ методов снижения износа электрода-инструмента. Мировой опыт применения и развития метода электроэрозионной обработки показал, что для снижения износа электрода-инструмента используется ряд методов. Большую роль в создании и развитии феноменологической теории электрической эрозии в жидкой диэлектрической среде сыграли работы Б.Р.Лазаренко, Б.Н.Золотых, А.И.Круглова, А.С.Зингермана, Л.С.Палатника, Б.И.Ставицкого. А.Л.Лившица, В.П.Смоленцева, А.Т.Кравеца и других.

Показано, что выбор эрозионно-стойкого материала электрода-инструмента, как и образование защитных пленок на электроде-инструменте, наиболее перспективен для диапазона коротких импульсов по той причине, что процесс образования пленки на электродах определяется характеристиками самого рабочего импульса, а не кинетикой побочных процессов пиролиза. Не менее важным направлением исследований в области электроэрозионной обработки с наименьшим износом обрабатывающего электрода является выбор диэлектрической среды, а также создание различных устройств и приспособлений для снижения износа электрода-инструмента. Несмотря на значительные достижения в исследуемом направлении, проблема снижения износа электрода-инструмента для прецизионной электроэрозионной обработки, в число которой входит прошивка малых отверстий, остается актуальной и представляет собой несомненный научный и практический интерес.

Во второй главе рассмотрены особенности формирования коротких импульсов тока для малоизносной электроэрозионной обработки малых отверстий. Проведен анализ существующего технологического процесса и разработан метод оптимизации режимов электроэрозионной обработки малых отверстий. Разработана методика проведения многофакторного эксперимента по определению параметров оптимизации процесса малоизносной обработки малых отверстий.

Экспериментальными исследованиями установлено, что наибольший эффект при электроэрозионной прошивке малых отверстий достигается при использовании коротких импульсов тока длительностью менее 1мкс. Для этих целей был разработан специальный транзисторный генератор коротких биполярных импульсов наносе-кундного диапазона, который обеспечивал получение импульсов раз-

рядного тока через межэлектродный промежуток длительностью 0,05-0,5мкс. Однако, при ужесточении режимов обработки наряду с увеличением производительности неизменно рос износ электрода-инструмента и, следовательно, снижалась точность обработки. Для установления зависимости относительного линейного износа электрода-инструмента у от параметров процесса обработки были проанализированы результаты многочисленных экспериментов и выбраны для данной целевой функции входные данные: электрические режимы обработки - энергия импульсов Е, частота импульсов / и геометрические параметры процесса - диаметр отверстия с! и его глубина Н. В качестве исходных математических моделей зависимости выходных параметров у и (^производительности) от входных параметров (3, Н, Е,/бьтли приняты степенные уравнения вида: Г = С, • и Q = Сг • ■ Н"1 - Ел ■ /А

Путем логарифмирования уравнения приводятся к линейному виду, коэффициенты которого определяются путем проведения четы-рехфакторного эксперимента с использованием метода математической статистики. Полученные модели подвергаются статистической оценке: определяется значимость коэффициентов модели и ее адекватность. В соответствии с поставленной задачей полученное расчетное значение относительного линейного износа у(с1, Н, Е,/) не должно превышать допустимого износа улоп, который определяется требованием по точности.

Разработанная методика предусматривает следующий порядок действий.

1. Полученную зависимость приводят к виду:

г=с,ааХ- Н"г • Еа3 • /а4=П0 ■ Пр, где па = С, • Ыа1 ■ Н"2 условный параметр отверстия, отражающий геометрические характеристики отверстия (I и Н; Пг - Еа3 ■/аЛ -условный параметр режимов обработки, характеризующий влияние факторов Е и/на целевую функцию у.

2. Для удобства практического применения данной методики входные параметры П0 и ПР, а также выходной параметр у =П0Пр представляют в виде расчетных таблиц, полученных на базе полученной модели (см.гл.4).

Диапазон числовых значений параметров П0, ПР, у в заголовках таблиц принимается в зависимости от диапазона принятого условиями эксперимента, проводимого для определения зависимости у ((1, Н,

Е,у). Шаг числовых значений принимается исходя из практики обработки малых отверстий.

3. Последующий порядок нахождения оптимальных режимов электроэрозионной прошивки отверстий:

■ по заданной глубине Н и точности Д0тв отверстия определяем по формуле допустимый износ электрода-инструмента удо„;

■ по таблице или расчетным путем по формуле П0 =С, • ■ Н"г определяем условный параметр отверстия П0;

■ зная допустимый износ уяоп и условный параметр отверстия П0, по таблице или расчетным путем по формуле ПР = уяо„ / П0 определяем условный параметр режимов ПР;

П = Е°3 ■ /""4

■ по таблице р по найденному параметру режимов ПР находим искомые оптимальные режимы обработки Ей/(см. практические примеры в гл.З).

Разработанный метод позволяет получить конкретную совокупность оптимальных режимов, которая обеспечит наибольшую производительность и требуемую точность при обработке на станках моделей 04ЭП-10М и 04ЭП-10МФ2, так как дискретные табличные значения режимов берутся из паспортов на станки. На рис.1 представлена фотография станка с подключенной последовательно с межэлектродным промежутком катушкой индуктивности. Для комплексной оценки процесса в данной работе был введен обобщающий критерий эффективности процесса - коэффициент эффективности, представляющий собой отношение скорости прошивки отверстия к относительному линейному износу электрода-инструмента. Таким образом, важнейшей задачей исследований является снижение износа электрода-инструмента при сохранении производительности или, что то же самое, увеличение производительности без увеличения износа.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям взаимосвязей базовых компонентов процесса электроэрозионной прошивки малых отверстий; иссле-

Рис. 1 Фотография станка 04ЭП-10МФ2 с подключенной последовательно с межэлектродным промежутком катушкой индуктивности

дованию влияния дополнительной индуктивности в разрядной цепи генератора импульсов на износ электрода-инструмента и производительность процесса. Так же проведены исследования многофакторной зависимости износа электрода-инструмента и производительности с разработкой методики оптимизации параметров процесса прошивки малых отверстий с дополнительной индуктивностью в разрядной цепи.

На первом этапе (до модернизации генератора импульсов) была решена задача по созданию методики, которая позволяла бы назначать такие режимы обработки, при которых обеспечивалась наибольшая производительность с одновременным выполнением требований по точности прошиваемых отверстий, и, соответственно, по износу электрода-инструмента. При проведении четырёхфакторного эксперимента в качестве обрабатываемого материала использовалась нержавеющая сталь 0Х18Н10Т, в качестве электрода-инструмента -вольфрамовая проволока, в качестве рабочей жидкости - вода, частота вибрации электрода-инструмента 380 Гц, амплитуда вибрации 4-4,5 мкм, точность отверстия - Д0Т1=2мкм. Эксперимент проводился на электроэрозионном станке модели 04ЭП-ЮМ. По экспериментальным данным были построены математические модели:

Произведя расчеты согласно методике, были получены искомые оптимальные режимы обработки. Последовательность расчетов: - определяем предельно допустимый износ электрода-инструмента:

- определяем параметр отверстия: По = 1528,13 «/ 1,445 Я0,336 =33,573

- определяем параметр режимов: цр = Уат/ =2,7

- по таблице параметров режимов определяем оптимальные режимы обработки Е=28,04 мкДж, / = 66 кГц (см. отмеченное в таблице1). Именно эти режимы обеспечивают для данных исходных условий наибольшую производительность, при этом износ электрода-инструмента не превышает допустимого (91%) и, следовательно, обеспечивается требуемая точность обработки (2 мкм). Что проверено расчетами по формулам.

у = 1528,13 ■ «Г'■445 ■ Я0"6 • Я0149 • 0 = 54,872 • с!^™ • Я-0,5 • Е°" ■ /°-,!6

-0,115

Таблица 1

Таблица параметров режимов пр ~ £0149. у°.115

Е, мкДж Г, кГц

22 44 66 100

9,25 1,988 2,153 2,255 2,366

13.18 2,095 2.269 2,377 2,494

28,04 2,345 2,539 2.661 2,791

50,47 2,559 2,772 2,904 3,046

92,52 2,801 3,034 3,178 3,334

100% = 3,591 rf1199 • //-°-836 • Я0'52' .

На рис.2 представлен график зависимости относительного линейного износа электрода-инструмента у в % от энергии Е и частоты импульса /' г(Е,/) = 33,573-й0149 •/"'"' Эффективность процесса оценим через

коэффициент эффективности, который получается путем деления моделей:

в

Г

Из анализа методов снижения износа электрода-инструмента было установлено, что для прецизионной электроэрозионной обработки снижения износа добиваются путем подключения последовательно с межэлектродным промежутком индуктивности.

Для определения зависимости технологических показателей процесса

электроэрозионной прошивки малых отверстий от вида катушек индуктивности были выполнены три серии опытов. В первой ~>к» серии прошивка малых отверстий производилась без дополнительной индуктивности в разрядном контуре. С показателями этой серии опытов сравнивались результаты последующих серий. Во второй серии в разрядную цепь последовательно с межэлектродным промежутком подключалась индуктивность, полученная намоткой на катушку медной одножильной проволоки марки ПЭЛ диаметром 1,5 мм. Диаметр катушки 30 мм, длина

11

Е. МкДж

Рис.2 График зависимости износа электрода инструмента от энергии и частоты импульсов.

катушки 25 мм, индуктивность катушки 8,27 мкГн. В третьей серии опытов использовался тот же каркас катушки, с таким же числом витков и, следовательно, с такой же индуктивностью, но в качестве обмоточного провода использовался литцендрат. На рис.3 представлены экспериментальные зависимости коэффициента эффективности Кэ от энергии импульсов Е. Видно, что наибольшую эффективность процесса обеспечивает вариант с катушкой из литцендрата, наименьшую - вариант без катушки. Причем, это отличие является значительным и составляет 2-2,5 раза. Получена математическая модель зависимости Кэ(Е).

К,(Е) = 13,161 +1040,877 ■ 10"6 • £ + 5,9083 • 10"* • Е2 -4,6537- Ю-9 • £3 После дифференцирования уравнения и приравнивания его к нулю, было найдено оптимальное значение энергии импульсов Еопт=926,83мкДж, при котором обеспечивается максимальное для данных условий эксперимента значение коэффициента эффективности процесса Кэма1(с=15,5. при использовании дополнительной индуктивности из литцендрата. На втором этапе была определена зависимость основных параметров процесса: производительности (), относительного линейного износа электрода-инструмента у от величины индуктивности Ь. Установлено, что с увеличением индуктивности снижается износ электрода-инструмента. Особенно интенсивное снижение наблюдается в диапазоне Ь=0...3мкГн. Но увеличение индуктивности ведет также и к снижению производительности процесса. Поэтому оценивать и анализировать изменение эффективности процесса в целом целесообразно с помощью коэффициента эффективности К3. На рис.4 представлена экспериментальная зависимость коэффициента эффективности Кэ от индуктивности Ь катушки из литцендрата в разрядной цепи. По эксперименталь-

и и 2 0 ■ »лз XVI - 1

>

ч — -

; I . ----

.......

—>

0 200 400 600 100 1000 1200

Рис.3 График зависимости коэффициента эффективности Кэ

от энергии импульсов Е для трех вариантов индуктивности в разрядной цепи: Ь=0, Ь=Ь0Д, Ь-Глвт-

ным данным была построена математическая модель зависимости К3(Ь), которая для отрезка кривой 1-5 имеет вид:

К, = 3,29 + 0,6083 1-0,04046• £* -0,02493• С Погрешность полученной математической модели не превышав! 0,03%.

Для отыскания оптимального значения Кэ и соответствующей ему индуктивности Ь уравнение было продифференцировано и приравнено к нулю: ——= 0,6083 — 0,08092 Ь - 0,07479 • 1} <И

Откуда оптимальное для данных условий эксперимента значение индуктивности: Ь0ПТ=2,362мкГн, при котором обеспечивается максимальное значение коэффициента эффективности процесса Кэмкс =4,17. В результате решения системы уравнений было получено уравнение второго отрезка экспериментальной кривой (точки 5-8):

К, = 2,27-[2,5327-Ю"20 ■ ¿2952<й"(/.- 4,96) ,2'7136" + 1]

Погрешность полученной модели не превышает 0,002%. С целью установления степени влияния каждого из многочисленных факторов на выходные параметры процесса и определения реальной зависимости износа у электрода-инструмента, производительности 0 и коэффициента эффективности Кэ от диаметра с1, глубины Н прошиваемого отверстия, энергии Е и индуктивности Ь был проведен четы-рехфакторный эксперимент. Получены адекватные математические модели

у = 2435,7 чГ1'085 ■ Я0"'04 ■ ¿-°'177 • Е0-063 е=1б,44.^412-я^'2 ¿^.Е0-'2

Кэ = Я.. 100% = 0,675. /'673 ■ Я-0,224 . г°-026 . £0,057 Г

В результате исследования четырехфакторной зависимости установлено:

- увеличение диаметра электрода и увеличение энергии импульсов способствует повышению эффективности процесса.

- увеличение глубины обработки Н снижает коэффициент эффективности, что связано с ухудшением условий удаления продуктов обработки из рабочей зоны, находящейся на торце электрода, что приводит к повторному диспергированию частиц и, как следствие, к снижению производительности и увеличению износа электрода:

Кз

- увеличение индуктивности Ь хотя и снижает коэффициент эффективности процесса, но несущественно. Это связано с тем, что степень влияния индуктивности на производительность процесса и износ электрода приблизительно одинакова, что объясняется неизменностью технологических параметров единичного импульса. При этом изменение физико-технических характеристик полезных рабочих импульсов в равной степени сказывается как на рост производительности процесса, так и износ электрода-инструмента.

Согласно методике, разработанной во второй главе, проведена оптимизация энергии импульсов Е и индуктивности Ь, на конкретном примере: прошивались отверстия в атравматических иглах диаметром (1=50мкм, глубиной Н=1100мкм с точностью Дотв=2мкм. В результате

были определены искомые режимы обработки: энергия импульсов Е= 352,56мкДж и индуктивность Ь=8,21мкГн. Именно эти режимы обеспечивают для данных исходных условий наибольшую производительность (3=1,866мкм/с, при этом износ электрода-инструмента не превышает допустимого (73,6%) и, следовательно, обеспечивается требуемая точность обработки (2 мкм). Таким образом, задача оптимизации износа электрода-инструмента и основных режимов обработки (Е и Ь) решена в полной мере

На рис.5 в качестве примера показан график зависимости износа электрода-инструмента от энергии импульсов и индуктивности. На рис.6 показан график линии равного отклика функции

ИЯ,О = 72,155.^',77.Я°:063 = 73,6% соответствующей двумерному сечению поверхности отклика плоскостью 7=уДоп=73,6%, при заданной точности отверстия Д0тв=2мкм.

Заштрихованная часть на рис.6 представляет собой область допустимых значений режимов обработки, при которых износ электрода не будет превышать допустимого значения. Точка А соответствует оптимальным режимам обработки, найденным с использованием этого метода. Рассмотренный в этой главе дискретно-табличный метод

к 2 ) _ . ________________'

< V 1

» -.....>■

0 а ш и го 1мГн-'

Рис. 4. График зависимости коэффициента эффективности Кэот величины индуктивности Ь катушки из лит-цецдрпта в разрядной цепи.

позволил получить конкретную однозначную совокупность оптимальных режимов (Ь=8,21мкГн, Е=352,56мкДж). При разработке ма-лоизносной технологии, связанной с использованием индуктивности высокой добротности было установлено, что указанная индуктивность Ь существенно меняет известные закономерности, устанавливающие связь шероховатости поверхности Яа с режимами обработки. Поэтому были проведены дополнительные исследования по установлению новых закономерностей, связывающих шероховатость с энергией импульса и с индуктивностью.

По результатам двухфакторного эксперимента получена зависимость: Яо = 0,3458 ■ £°'2175 • /г0,3195,

Полученная модель и график на рис.7 показывают, что шероховатость поверхности в большей

степени зависит от индуктивно- ^«йЙЙЙ

сти, причем эта связь обратная. От энергии импульсов зависимость прямая и относительно меньшая. В ряде случаев максимально возможная производительность электроэрозионной прошивки отверстий ограничивается требованиями по шероховатости, при этом точность обработки обеспечивается автоматически выбранными режимами. Для обработки отверстий

!

Хл,М1М

1

I»*, И«

Рис.7 График зависимости шероховатости от энергии импульсов и индуктивности

1-м кДж

и, икГн

Рис.5 График зависимости износа электрода-инструмента от энергии импульсов и индуктивности

Е. мкДж

Рис.6 Линия равного износа электрода-инструмента у=73,6% для ё=50мкм и Н=1 ЮОмкм.

этой группы оптимальное сочетание режимов обработки целесообразно рассчитывать по интерполяционной модели Ка(Е,Ь), которая приводится к дискретно-табличному виду.

Например, при заданной шероховатости Иа=0,64мкм выбираем по таблице ближайшее меньшее значение Ка=0,632мкм, что соответствует оптимальным режимам: Е=352,56мхДж, Ь=8,21мкГн (см. отмеченное в табл.2). Именно при этих режимах обеспечивается наибольшая производительность при обеспечении требований лс шероховатости

Таблица 2

Значения шероховатости отверстий Яа,мкм при обработке в воде не-

ржавеющей стали Х18Н10Т

Энергия импульсов, мкДж . Индуктивность в разрядной цепи, мкГн

1,5 2,37 3,65 4,96 8,21 15,16 25,6

96,15 0,820 0,709 0,617 0,560 0,476 0,392 0.331

211,54 0,974 0,841 0,733 0,664 0,566 0,465 0,393

301,28 1,051 0,908 0.791 0,717 0,611 0,502 0,425

352,56 1,088 0,9401 0,819 0,742 0,632 0,520 0,439

641,03 1,239 1,071 0,933 0,846 0,720 0,586 0,500

1282,05 1,441 1,245 1,084 0,983 0,837 0,688 0,582

При жестких требованиях и по точности (Дот.<0,005мм) и по шероховатости (Яа<0,32мкм) расчеты оптимальных режимов производятся отдельно по двум ограничениям в соответствии с разработанными методиками. Из двух сочетаний предельных режимов обработки выбирают более мягкий режим. Этот режим является наиболее производительным и одновременно удовлетворяющим требованиям и по точности обработки и по шероховатости поверхности.

В четвертой главе представлены практические результаты работы: типовой технологический процесс, проведен сравнительный анализ производительности электроэрозионной прошивки малых отверстий на оптимальных режимах без индуктивности и с индуктивностью в разрядной цепи при одинаковых требованиях по точности.

Экономическая оценка эффективности модернизированной технологии и ее методики выбора оптимальных малоизносных режимов прошивки малых отверстий и традиционной технологии и ее методики выбора режимов проводится на сравнительном анализе этих способов обработки. Эффективность модернизации генератора импульсов путем включения в разрядную цепь индуктивности высокой добротности, а также методики оптимизации малоизносных режимов обработки оценена посредством сравнения производительности обра-

ботки до и после модернизации. В обоих случаях прошивались отверстия диаметром ё = 50мкм, Н = 1 ЮОмкм, ДоТВ = 2мкм, утл = 73,6%, обрабатываемый материал - нержавеющая сталь 0Х18Н10Т. Используя разработанные методики, были определены оптимальные режимы обработки:

- до модернизации: Е = 0,2924 мкДж,/= 50кГц

- после модернизации: Е = 352,56мкДж, Ь = 8,21мкГн. Производительность процесса до модернизации:

е = 54,875-<Г м<> ■ А/"0,5 ■ £°-67 •/°156 =0,51 мю^

после модернизации:

6 = 16,44-<Г*т ■ Я4)12 • П»лю ■ Е°п = \,87мкм /с Таким образом, рост производительности процесса от модернизации генератора импульсов составил К = 3,7 раза. Ожидаемый экономический эффект от внедрения одного модернизированного станка и методики малоизносной электроэрозионной обработки малых отверстий составляет 129243 руб.

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны таблицы условных параметров отверстий и режимов обработки и связанного с ними относительного линейного износа электрода-инструмента.

Разработана общая технологическая последовательность действий, являющаяся стержневой частью типового технологического процесса получения высокоточных малых отверстий на разработанном электроэрозионном оборудовании. Ранее действующий технологический процесс был скорректирован и подробно описан в диссертационной работе. Процесс осуществляется на электроэрозионных станках моделей, 04ЭП-10М, а также на модернизированных станках моделей 04ЭП-10МФ2. Модернизация заключалась в подключении индуктивности высокой добротности в разрядную цепь генератора сверхкоротких импульсов типа ВТГ-1, а также в разработке методики оптимизации режимов малоизносной обработки на модернизированном оборудовании

Предложено новое устройство для повышения эффективности электроэрозионной обработки малых отверстий, на которое был получен патент на полезную модель № 124207.

В заключении приведены основные результаты и выводы. Выполненный комплекс исследований и разработок по характеру результатов представляет собой совокупность научно обоснованных технических и технологических решений, внедрение которых внесло

17

значительный вклад в развитие малоизносной технологии электроэрозионной обработки малых отверстий. Была решена актуальная научная задача по созданию теоретических основ и методологии проектирования высокоэффективной технологии и оборудования с целью снижения износа электрода-инструмента, повышения точности обработки и качества изделий.

Основные выводы:

1. Предложенный в работе коэффициент эффективности процесса электроэрозионной прошивки отверстий, представляющий собой отношение производительности процесса к относительному линейному износу электрода-инструмента, позволяет оценить в целом эффективность обработки для данных условий, а также сравнить эффективность разрабатываемой новой технологии и оборудования с известными достижениями данного направления и выбрать оптимальное техническое решение.

2. Разработанная методика оптимизации режимов электроэрозионной обработки малых отверстий на существующем оборудовании позволяет получить наибольшую производительность при соблюдении требований по точности обработки и, следовательно, по износу электрода-инструмента.

3. Установлено, что включение в разрядную цепь генератора коротких биполярных импульсов катушки индуктивности, полученной намоткой литцендрата, снижает в среднем в 3 раза относительный линейный износ электрода-инструмента при электроэрозионной прошивке малых отверстий.

4. Построена математическая модель зависимости коэффициента эффективности процесса от величины индуктивности (по экспериментальным данным). Установлены оптимальные значения индуктивности и энергии импульса, при которых коэффициент эффективности максимален и составляет 4,17, при значении индуктивности 2,362мкГн. На базе созданной методики разработаны таблицы оптимальных энергий импульса и индуктивностей для различных диаметров электродов-инструментов и глубин прошиваемого отверстия.

5. Разработаны математические модели износа электрода-инструмента, производительности и шероховатости поверхности малого отверстия, на базе которых разработаны методики оптимизации режимов малоизносной электроэрозионной обработки высокоточных малых отверстий.

6. Для модернизированного оборудования исследована четы-рехфакторная зависимость износа электрода-инструмента от геометрических параметров отверстия (диаметра и глубины) и режимов обработки (энергии и индуктивности). Установлено, что в наибольшей степени на износ электрода а, следовательно, на точность электроэрозионной прошивки отверстий влияет его диаметр. На базе экспериментальных исследований разработана методика оптимизации режимов обработки, которая обеспечивает для заданных исходных условий (диаметра, глубины и точности отверстия) получение наибольшей производительности, при которой износ электрода-инструмента и, следовательно, точность обработки не будет превышать допустимых значений. Установлено, что разработанная методика позволяет увеличить производительность процесса в среднем в 3,7 раза.

7. Установлено, что введение индуктивности высокой добротности в разрядную цепь дает малую положительную зависимость износа электрода-инструмента от энергии импульсов (в отличие от варианта без индуктивности). Это новое свойство процесса позволяет увеличить производительность обработки без существенного повышения износа электрода-инструмента, что повышает эффективность процесса в целом.

8. На базе экспериментальных исследований зависимости шероховатости обработанной поверхности от режимов обработки получена математическая модель зависимости и разработана методика определения оптимальных режимов обработки, при которых достигается наибольшая производительность при обеспечении требований по шероховатости. Установлено, что введение в разрядную цепь генератора импульсов индуктивности высокой добротности в значительной степени снижает шероховатость обработанной поверхности, причем степень влияния индуктивности на шероховатость выше степени влияния энергии

Результаты работы внедрены в ОАО Белгородский завод «Ритм», в учебный процесс БГТУ им. В.Г.Шухова. Экономическая эффективность модернизированной технологии и ее методики выбора оптимальных малоизносных режимов прошивки малых отверстий достигается за счет снижения в среднем в 3 раза относительного линейного износа электрода-инструмента, повышения производительности процесса в 2-5 раза при обработке на малоизносных режимах и обеспечении жестких требований по точности; повышения в среднем в 2-5 раза

эффективности процесса в целом. Экономический эффект составил 129243 рублей в расчете на один модернизированный станок.

Перспективными направлениями дальнейшего совершенствования процесса и оборудования для малоизносной электроэрозионной обработки малых отверстий являются:

- разработка систем автоматического управления разрядным током внутри импульса;

- разработка эффективных методов и средств снижения износа электрода-инструмента и, следовательно, повышения точности обработки, в том числе новыми схемотехническими средствами, подбором состава рабочих сред, автоматическим управлением динамикой развития плазменного канала разряда;

- решение проблемы малоизносной прошивки сверхглубоких отверстий, в том числе путем создания эффективных методов и средств интенсификации процесса эвакуации продуктов эрозии из межэлектродного промежутка и новых малоизносных генераторов импульсов наносекундного диапазона.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В РАБОТАХ Статьи, опубликованные в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Бойко А.Ф. Точность электроэрозионной прошивки микроотверстий / А.Ф.Бойко, Е.И.Пузачева // Технология машиностроения: -2012 -№6.-с.50-53.

2. Пузачева Е.И. Исследование шероховатости поверхности после электроэрозионной обработки сверхкороткими импульсами тока. Часть1 / Е.И.Пузачева, А.Ф.Бойко // Ремонт, восстановление, модернизация, №6. 2012. С.45-48.

3. Пузачева Е.И. Исследование шероховатости поверхности после электроэрозионной обработки сверхкороткими импульсами тока. Часть2 / Е.И.Пузачева, А.Ф.Бойко // Ремонт, восстановление, модернизация, №7. 2012. С.42-46.

4. Бойко А.Ф. Исследование физической сущности положительного влияния вибрации ЭИ на процесс электроэрозионной прошивки микроотверстий. Часть (.Исследование влияния вибрации ЭИ на динамику движения парогазовых пузырей в боковом межэлектродном зазоре / А.Ф.Бойко, А.А.Погонин, А.С.Плешков, Е.И.Пузачева // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2013.-№6. - с.42-45.

5. Бойко А.Ф. Исследование физической сущности положитель-

ного влияния вибрации ЭИ на процесс электроэрозионной прошивки микроотверстий. Часть 2. Исследования по оптимизации и автоматизации процесса управления вибрацией ЭИ / А.Ф.Бойко, А.А.Погонин, А.С.Плешков, Е.И.Пуэачева И Ремонт, восстановление, модернизация. - 2013.- №10. - с.45-48.

6. Бойко А.Ф. Исследование шероховатости обработанной поверхности при электроэрозионной прошивке малых отверстий с использованием малоизносной схемы генератора импульсов с индуктивностью в разрядной цепи / А.Ф.Бойко, Е.И.Пуэачева, Е.М.Жуков // Научно-теоретический журнал «Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова». -2015. №3,-с. 98-102.

Публикации в других изданиях

7. Puzacheva E.I. Research of multiple-factor dependence of wear of an electrode tool and development of a technique of its optimization at an electro erosive insertion of small openings / E.I. Puzacheva, A.F.Bojko // International Journal of Applied Engineering Research (1JAER). - 2014. -V9. - №22. - P. 16821-16836 - Режим доступа: http://www.ripublication.com/Volume/ijaerv9n22.htm

8. Puzacheva E.I. Development of complex criterion of efficiency of process of an electroerosive insertion of small openings at research of interrelations of basic components of process / E.I. Puzacheva, A.F.Bojko, A.V.Macpherson // Research Journal of Applied Sciences. - 2014. - №9. -P.691-695. - Режим доступа:

http://medwelljournals.com/abstract/?doi=ijasci.2014/691/695

9. Блинова T.A. Повышение точности электроэрозионной обработки / Т.А.Блинова, Е.И.Пуэачева, А.Ф.Бойко // Материалы II Меж-дунар. науч.-практ. Конференции «Перспективное развитие науки, техники и технологий». Т1. Курск: ЮЗГУ, 2012, с.89-90.

10. Пузачева Е.И. Подбор диэлектрической среды для работы с уменьшенным износом электрода-инструмента / Е.И.Пуэачева, А.Ф.Бойко Т.А.Блинова // Материалы II Междунар. науч.-практ. конференции «Перспективное развитие науки, техники и технологий».Т2. Курск: ЮЗГУ, 2012, с.76-77.

11. Пузачева Е.И. Определение шероховатости обработанной поверхности при электроэрозионной прошивке малых отверстий с использованием генератора импульсов с индуктивностью в разрядной цепи / Е.И.Пуэачева, А.Ф.Бойко, Е.М.Жуков // Сб. докладов Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г.Шухова

«Наукоемкие технологии и инновации (XXI научные чтения) Часть 4, Белгород 9-10 октября 2014г.». Белгород - 2014.-С.201-206.

12. Пузачева Е.И. Анализ методов уменьшения износа электрода-инструмента / Е.И.Пузачева // Тезисы докладов Междунар. науч,-практ.конф. «Вопросы образования и науки: теоретический и методический аспекты». Тамбов: ТГТУ, 2014, с.88-92.

Патенты

13. Пат. 124207РФ Устройство для электроэрозионной обработки / Е.И.Пузачева, А.Ф.Бойко, А.С.Плешков, Н.А.Архипова; заявитель И патентообладатель ГОУ ВПО БГТУ им.В.Г.Шухова.-№2012134957/02; заявл.15.08.2012;опубл.20.01.13,Бюл.№2

14. Пат.148627РФ Электрод-инструмент для электрофизической и электрохимической обработки глубоких отверстий малого диаметра / А.С.Плешков, А.Ф.Бойко, Н.А.Архипова, Е.И.Пузачева; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО БГТУ им.В.Г.Шухова. -№2014122883/02; заявл.04.06.2014;опубл. 10.12.2014.

Пузачева Елена Ивановна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАЛОИЗНОСНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОТОЧНЫХ МАЛЫХ ОТВЕРСТИЙ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Подписано в печать 08.07.15. Формат 60x84/16 Усл.печ.л. 1,3. Тираж 100 экз. Зак. № 200 Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г.Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

2015675266

2015675266