Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования 10
1.1 Современное состояние электроэрозионной обработки 10
1.2 Недостатки электроэрозионной обработки, связанные с использованием твердотельных электродов инструментов 12
1.3 Физико-химические методы обработки, использующие нетвердотельные инструменты 16
1.3.1 Лазерная обработка 17
1.3.2 Водоструйная обработка 17
1.3.3 Плазменная обработка 18
1.3.4 Электронно-лучевая и ионно-лучевая обработки 18
1.4 Проводящие лазерные каналы 19
1.5 Типы и параметры фокусирующих систем для создания проводящих лазерных каналов 22
1.6 Применение оптического пробоя в электрофизикохимических
1.6.1 Методы, использующие энергию ударной волны оптического пробоя 28
1.6.2 Методы, использующие лучистую энергию плазмы оптического пробоя 29
1.6.3 Методы, использующие тепловую энергию плазмы оптического пробоя 30
1.6.4 Методы, использующие электропроводные свойства плазмы оптического пробоя 33
1.7 Выводы. цели и задачи исследования 37
ГЛАВА 2. Теоретические исследования электроэрозионной обработки с использованием проводящих лазерных каналов 39
2.1 Развитие единичного акта электроэрозионной обработки с использованием проводящих лазерных каналов 40
2.2 Определение количества энергии, приходящей на заготовку во время электрического разряда 45
2.3 Моделирование процесса теплопередачи при единичном разряде 56
2.3 Выводы по главе 2 67
ГЛАВА 3. Разработка экспериментального оборудования для электроэрозионной обработки с использованием проводящих лазерных каналов 69
3.2 Проектирование экспериментальной установки 71
3.2.1 Выбор источника лазерного излучения для формирования ПЛК 72
3.2.2 Проектирование фокусирующей системы 74
3.2.3 Разработка системы позиционирования заготовки относительно ПЛК 78
3.2.4 Выбор и проектирование системы подачи рабочей жидкости 83
3.2.5 Проектирование генератора электрических импульсов 84
3.2.6 Разработка электроэрозионной ячейки для ЭЭО с использованием ПЛК 87
3.2.7 Состав и функциональные возможности блока управления экспериментальной установкой 92
3.2.8 Описание разработанной экспериментальной установки 93
3.3 Выводы по главе 3 95
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования процесса электроэрозионной обработки с использованием проводящих лазерных каналов 97
4.1 Исследование свойств проводящих лазерных каналов, используемых в качестве инструмента в электроэрозионной обработке... 98
4.1.1 Экспериментальные исследования геометрических свойств проводящих лазерных каналов 98
4.1.2 Исследование электрофизических свойств проводящих
4.1.3 Исследование лазерной энергии, поступающей через проводящий лазерный канал 106
4.2 Исследования единичных актов электроэрозии с использованием
проводящих лазерных каналов 109
4.2.1 Исследования особенностей протекания электрических разрядов между ПЛК и обрабатываемой заготовкой 109
4.2.2 Экспериментальные исследования размеров и форм единичных электроэрозионных лунок 112
4.3 Выводы по главе 4 122
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования электроэрозионного формообразования с использованием проводящих лазерных каналов 124
5.1 Исследование качества обработанной поверхности после электроэрозионной обработки с использованием проводящих лазерных
5.1.1 Исследование шероховатости обработанных поверхностей после электроэрозионной обработки с использованием проводящих
5.1.2 Исследование наношероховатости обработанных поверхностей после электроэрозионной обработки с использованием проводящих лазерных каналов 129
5.1.3 Исследование микротвердости поверхностей после электроэрозионной обработки с использованием проводящих
5.1.4 Исследование измененного слоя после электроэрозионной обработки с использованием проводящих лазерных каналов 134
5.2 Исследование погрешности электроэрозионной обработки с использованием проводящих лазерных каналов 138
5.3 Исследование производительности электроэрозионной обработки с использованием проводящих лазерных каналов 142
5.4 Примеры деталей, изготовленных с помощью электроэрозионной
5.4. Выводы по главе 5 145
Заключение. Общие выводы
- Физико-химические методы обработки, использующие нетвердотельные инструменты
- Определение количества энергии, приходящей на заготовку во время электрического разряда
- Проектирование фокусирующей системы
- Исследования особенностей протекания электрических разрядов между ПЛК и обрабатываемой заготовкой
Физико-химические методы обработки, использующие нетвердотельные инструменты
Развитие современного машиностроительного и приборостроительного производств связано с повышением производительности труда и качества получаемых изделий. Удовлетворение возрастающих требований промышленности невозможно без применения физико-химических методов обработки материалов [11, 21, 25-28, 40, 43, 69, 98]. Преимущество этих методов относительно методов механической обработки заключается в возможности обработки разнообразных материалов и получения поверхностей сложных форм, формообразование которых традиционными методами затруднительно или невозможно.
Среди физико-химических методов обработки особое место занимает электроэрозионная обработка (ЭЭО). ЭЭО является одним из самых распространенных методов электрофизической обработки. На сегодняшний день объем производства станков для электроэрозионной обработки занимает четвертое место среди всех выпускаемых металлообрабатывающих станков [19]. Такое распространение метода ЭЭО обусловлено его достоинствами -высокая точность обработки (до 4-5 мкм на 300 мм), низкая шероховатость обработанных поверхностей (до Ra = 0,04 мкм), малая зависимость производительности от механических свойств обрабатываемого материала [19, 92].
Изучению ЭЭО посвящено большое количество работ в нашей стране и за рубежом. Значительный вклад в изучение процесса ЭЭО внесли Лазаренко Б.Р., Лазаренко Н.И., Золотых Б.Н., Лившиц АЛ., Артамонов Б. А., Волосатов В.А., Красюк Б.А., Некрашевич И.Г., Мицкевич М. К., Палатник Л.С, Отто М.Ш., Ставиций Б. И., Саушкин Б. П., Левит МЛ., Л.А., Зингерман А.С., J. Kozak, D. D. Dibitono, Р.Т. Eubank, F. Klocke и др. [21, 45, 46, 52, 55, 65, 84, 108, ПО]. Благодаря усилиям инженеров и ученых в настоящее время показатели ЭЭО вышли на принципиально новый уровень. Современные станки для ЭЭО характеризуются высокой степеню автоматизации, применением числового программного управления, возможностью многокоординатной обработки.
Работы по улучшению показателей обработки, таких как точность, качество поверхности, производительность, ведутся в нескольких направлениях. Среди направлений исследований отметим - применение специальных рабочих жидкостей, увеличение точности позиционирования электродов-инструментов, применение специальных источников питания с возможность регулирования электрических параметров импульса в широких пределах, разработка новых электродов-инструментов [19, 20, 42, 63, 68, 90, 135].
Увеличение точности позиционирования станков для ЭЭО достигается за счет применения специализированных линейных двигателей, в которых отсутствует элементы преобразования вращательного движения в поступательное, использования точных датчиков линейного положения и конструкционных керамик [19]. В копировально-прошивочных и проволочно-вырезных станках фирмы Sodick точность позиционирования достигает 0,01 мкм. Точность обработки при этом может составлять 1,5 мкм на 300 мм. Серийно выпускаемые ЭЭО станки других фирм несколько отстают по точности позиционирования, но, в целом, она также довольно высока [92].
Современные генераторы импульсов формируют электрические импульсы различной конфигурации с частотой до нескольких мегагерц. Программное управление генераторами импульсов позволяет вести высокоточное управление параметрами резания и точно подбирать режимы обработки. На чистовых режимах применение современных генераторов обеспечивает шероховатость поверхности до Ra=0,04 мкм. При высокопроизводительной электроэрозионной проволочной резке скорость обработки доходит до 600 мм2/мин [92, 98]. Применение специальных рабочих жидкостей с присадками, состоящими из ультрадисперсных порошков, позволяет получать высокое качество поверхности [107, 112, 118].
Очевидно, что развитее технического обеспечения станков для ЭЭО находится на высоком уровне и не является сдерживающим фактором для дальнейшего повышения параметров обработки.
Существенное влияние на показатели ЭЭО обработки оказывают параметры электродов-инструментов. Износ электродов-инструментов снижает точность обработки, пределы по токовым нагрузкам сдерживают повышение производительности, ограничения механических нагрузок и малая жесткость инструмента также оказывают влияние на точность и качество обработки. Применяются различные меры для снижения перечисленных негативных влияний свойств электрода-инструмента на показатели обработки [17, 20, 38, 68, 125].
Определение количества энергии, приходящей на заготовку во время электрического разряда
При задержке Ъ = 10 мкс, передача мощности заготовке начинается раньше, чем при отсутствии задержки. При увеличении длины ПЛК происходит уменьшение уровня, выделяемой на заготовке мощности, и сужение эффективного временного участка энерговложения (Рис. 2.16).
Мощность, выделяющаяся на заготовке в процессе единичного разряда, определяет тепло, переданное заготовке от канала электрического разряда. Информация о распределение тепловых полей в объеме заготовки позволяет найти объем расплавленного материала и форму и размеры лунки. Для этого был рассмотрен процесс передачи тепла заготовке во время единичного электрического разряда.
Моделирование процесса теплопередачи при единичном разряде
Передача тепла электродам в процессе электроэрозионной обработки происходит за счет действия поверхностного и объемного источника тепла. Поверхностный источник создается за счет бомбардировки поверхности электродов ионами для катода и электронами для анода [21]. Объемный источник связан с нагревом электродов при прохождении тока и описывается эффектом Джоуля-Ленца. Доля обоих механизмов нагрева электродов была оценена в работе [21]. Полученные результаты свидетельствуют о незначительной роли объемного источника тепла в общем нагреве электродов. Таким образом, следует рассматривать задачу теплопроводности в процессе электроэрозионной обработки, учитывая лишь поверхностный источник тепла.
Схема теплопередачи при электроэрозионной обработке: 1 - канал разряда, 2 - рабочая жидкость, 3 - плоскость моделирования, 4 заготовка В месте контакта канала разряда 1 с заготовкой 4 создается поверхностный источник тепла. Предполагается осевая симметрия относительно оси z интенсивности теплового потока, создаваемого каналом разряда, и параметры детали не изменяются во всем объеме. От трехмерной задачи теплопроводности можно перейти к двухмерной, рассмотрев перенос тепла в плоскости сечения 3. На Рис. 2.18 представлена расчетная схема плоскости сечения 3 (Рис. 2.17). Область моделирования теплопередачи представляет собой квадрат со сторонами Lx = Ly = 1 мм.
В работах [114, 118, 112] для расчета теплопередачи распределение теплового потока по поверхности электродов принималось равномерным. Однако исследования [5-9] показывают, что распределение теплового потока по поверхности электрода нужно описывать распределением Гаусса. Согласно [ПО], распределение теплового потока на поверхности электрода, созданного каналом разряда, имеет зависимость от координаты г:
В расчетах принималось, что эффективная длина ПЛК 1 составляет 5 мм, задержка между началом формирования ПЛК и электрическим разрядом отсутствует.
Предполагается, что материал заготовки представляет собой анизотропную среду. Моделирование теплопередачи проводилось для заготовок из материалов: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титановый сплав ВТ-14 алюминиевый сплав АК-4. Теплофизические параметры перечисленных материалов, которые были использованы при моделировании, представлены в таблице 2.1.
На Рис 2.19 представлена область моделирования теплопередачи с нанесенной сеткой конечных элементов. В результате решения задачи теплопередачи получены данные о распределении температурного поля в объеме заготовки в различные моменты времени действия электрического
Проектирование фокусирующей системы
Бесконтактный способ токоподведения обладает рядом преимуществ относительно контактного способа - отсутствует износ контактного электрода, не нарушается целостность ПЛК за счет его механического контакта с токоподовдом. Однако такой способ токоподведения достаточно сложно реализуем, так как сопряжен с изготовлением специальной зашитой камеры для экранирования СВЧ излучения. Реализации высокой энергии электрических разрядов и управлением электрическими разрядами для осуществления электроэрозионной обработки представляют, в этом случае, сложную задачу.
В работе [9] использовалось контактное токоподведение к ПЛК касанием ПЛК в одной точке. Однако исследования показали неэффективность токоподведения в одной точке ПЛК из-за неравномерного распределения электрического потенциала по длине ПЛК. В связи с этим, в настоящей работе использовалось токоподведение в двух точках по схеме, приведенной на Рис. 3.17..
Токоподвод состоит из двух графитовых пластин 1, разделенных прокладкой 3, размер которой зависит от высоты обрабатываемой заготовки. Пластины установлены в креплении 4, изготовленном из органического стекла и закрепленном на держателе 2. Вся конструкция токоподвода имеет возможность движения независимо от рабочей ячейки.
Блок управления - система, обеспечивающая контроль и управление процессом электроэрозионной обработки с использованием ПЛК (Рис. 3.19).
В состав блока управления входит комплекс оборудования, позволяющего оператору задавать параметры лазерного излучения и управлять перемещением ПЛК относительно обрабатываемой заготовки.
Фотография блока управления экспериментальной установки ЭУ-1: 1 - персональный компьютер, 2 - контроллер координатного стола, 3 - монитор, 4 - пульт управления лазера, 5 - блок питания лазера. Пульт управления лазером (Рис. 3.18) дает возможность изменять такие технологические показатели лазера как частоту повторения и энергию лазерных импульсов. Управление системой позиционирования происходит с помощью персонального компьютера, который подключен к контроллеру координатного стола 2.
Описание разработанной экспериментальной установки
На основе проведенного анализа способов и вариантов реализации отдельных блоков была изготовлена экспериментальная установка ЭУ-1 для осуществления электроэрозионной обработки с использованием ПЛК (Рис. 3.20-3.21). На Рис. 3.20 представлена схема экспериментальной установки ЭУ-1 для осуществления процесса электроэрозионной обработки с использованием ПЛК.
Лазерное излучение выходит из апертуры излучателя 2 преломляется призмой 3, фокусируется объективом 4. Сфокусированное излучение поступает в электроэрозионную ячейку, где формируется ПЛК. В рабочую ячейку 5 поступает рабочая жидкость из резервуара 6. Электроэрозионная ячейка 5 закреплена на двухкоординатном столе 7, который управляется контроллером 9, соединенным с персональным компьютером 10. С помощью управляющей программы, установленной на персональном компьютере 10, осуществляется перемещение электроэрозионной ячейки 5 по заданной траектории. система подачи рабочей жидкости, 2 - система позиционирования, 3 электроэрозионная ячейка, 4 - фокусирующая линза, 5 - призма, 6 излучатель, 7 - управляющий компьютер, 8 - пульт управления лазером, 9 блок питания лазера, 10 - контроллер двухкоординатного стола, 11 генератор импульсов, 12 - осциллограф. Генератор импульсов 8 соединен с электроэрозионной ячейкой 5 при помощи кабелей. Электропитание и управление лазерным излучателем происходит с помощью источника питания лазера 1 и пульта управления.
Экспериментальная установка ЭУ-1 позволяет осуществлять процесс электроэрозионной обработки с использованием ПЛК заготовок с габаритами, не превышающими 100x100x20 мм по схеме вырезание по двум координатам (Рис. 3.1 б). Обработка может осуществляться при использовании струйной подачи рабочей жидкости и при погружении заготовки в объем рабочей жидкости. Перемещение заготовки относительно ПЛК осуществляется автоматически по заданной траектории с помощью управляющей программы.
1. Предложены различные схемы электроэрозионной обработки с использованием ПЛК. Схемы обработки включают схемы вырезания, схему модифицирования поверхностей и схему точения. Для экспериментальных исследований была выбрана схема вырезания.
2. Разработана схема экспериментальной установки для электроэрозионной обработки с использованием ПЛК. Установлено, что экспериментальная установка должна содержать источник лазерного излучения, фокусирующую систему, генератор электрических импульсов, систему подачи рабочей жидкости, систему перемещения, блок управления, электроэрозионную ячейку.
3. Проанализированы различные виды источников лазерного излучения для создания ПЛК. Выбран источник излучения LQ929, так как его характеристики позволяют формировать ПЛК с приемлемыми для проведения экспериментов параметрами.
4. Разработана фокусирующая система, позволяющая формировать ПЛК с различными геометрическими параметрами, благодаря использованию в качестве фокусирующих линз конические, сферические и цилиндрические линзы.
5. Исследованы возможные системы позиционирования для осуществления электроэрозионной обработки с использованием ПЛК. Установлено, что наиболее предпочтительными системами позиционирования с точки зрения точности и быстродействия являются системы зеркал для перемещения ПЛК относительно обрабатываемой заготовки. Однако перемещение ПЛК сопряжено с определенными трудностями, связанными с обеспечением токоподвода к ПЛК и подачей рабочей жидкости. Разработана система позиционирования для экспериментальной установки.
6. Проанализированы способы обеспечения подачи рабочей жидкости. Доказано, что применение струйной подачи является наиболее приемлемым способом подачи рабочей жидкости в условия электроэрозионной обработки с использованием ПЛК.
7. Разработан генератор импульсов для электроэрозионной обработки с использованием ПЛК. Доказано, что рациональным является применение в качестве генератора электрических импульсов зависимого RC-генератора.
8. Разработана электроэрозионная ячейка для осуществления электроэрозионной обработки с использованием ПЛК по схемам вырезания. Установлено, что ее конструкция должна обеспечивать возможность введения лазерного излучения в рабочую область, энергообеспечение процесса обработки, подачу рабочей жидкости, осуществление кинематических схем обработки.
9. Спроектирована и создана экспериментальная установка ЭУ-1 для исследования процесса электроэрозионной обработки с использованием ПЛК. Установка позволяет осуществлять ЭЭО с использованием ПЛК по схеме двухкоординатной вырезки.
Исследования особенностей протекания электрических разрядов между ПЛК и обрабатываемой заготовкой
Из-за низкой температуры плавления и вязкости АК-4, материал лучше удаляется из зоны теплового воздействия, и форма полученных лунок примерно соответствует форме разрядного плазменного канала. Наибольшее искажение формы лунок наблюдается на поверхности ВТ-14. Так же на форму лунок оказывает влияние рабочая жидкость. Что видно из таблицы 4.2, где представлены фотографии и результаты измерений профилей лунок при использовании в качестве рабочей жидкости воды. Сравнивая результаты в зависимости от применяемой рабочей жидкости можно установить, что наименьшее отклонение от окружности и более точный контур наблюдаются при использовании масла. Это связано с более высокой вязкость и лучшей эвакуацией продуктов эрозии.
При использовании обратной полярности на ячейке, когда нетвердотельный электрод-инструмент является анодом, наблюдается полярный эффект, выраженный меньшим объемом удаления материала образца и большим искажением формы полученных лунок (таблица 4.3) при тех же параметрах обработки.
На Рис. 4.6-4.9 представлены зависимости среднего диаметра и средней глубины лунок от амплитуды электрических импульсов при обработке в масле И20 и воде. По результатам анализа графиков можно сделать вывод об увеличении диаметра и глубины лунок при увеличении амплитуды электрических импульсов практически для всех исследуемых материалов и рабочих жидкостей. Так же было установлено, что при увеличении приложенного напряжения возрастает дисперсия отдельных значений диаметра и глубины лунок, что в целом негативно сказывается на прогнозировании результатов обработки.
Наибольшие размеры лунок зафиксированы для алюминиевого сплава, наименьшие для титанового сплава. Полученные результаты хорошо согласуются с традиционными представлениями о электроэрозионной обрабатываемости различных материалов в зависимости от их теплофизических свойств.
Глубина лунок полученных при использовании масла превышает глубину лунок полученных в воде при прочих равных условиях обработки, что связано с лучшими эвакуационными свойствами масла на грубых режимах обработки. Полученные экспериментальные зависимости достаточно хорошо согласуются с теоретическими исследованиями.
Исходя из проведенных исследований, для электроэрозионного формообразования с использованием ПЛК можно рекомендовать использовать прямую полярность подключения генератора импульсов, создавать один электрический импульс синхронно с образованием ПЛК, применять схемы с боковым расположением ПЛК относительно заготовки.
1. Разработана методика проведения экспериментальных исследований, включающая в себя: методику исследования геометрических и электрических параметров проводящих лазерных каналов, методику исследования количества лазерной энергии, поступающей сквозь проводящий лазерный канал, методику исследования особенностей протекания электрических разрядов между ПЛК и обрабатываемой заготовкой, методику экспериментальные исследования размеров и форм единичных электроэрозионных лунок.
2. Проведены экспериментальные исследования геометрических свойств проводящих лазерных каналов в зависимости от используемых фокусирующих систем и сред. Установлено, что при электроэрозионной обработке с использованием проводящих лазерных каналов целесообразно использовать сферическую оптику с фокусным расстоянием 80 - 120 мм в случае использования лазера с параметрами: частота 1,064 мкм, длительностью импульса 10 не и энергией 1 Дж.
3. Проведены исследования электрических свойств проводящих лазерных каналов. Вольтамперная характеристика ПЛК имеет линейный вид.
4. Установлено, что количества лазерной энергии, поступающей сквозь проводящий лазерный канал составляет 20 - 40 % от всей энергии импульса, поступающей в продольном направлении. Лазерное излучение, переотраженное в плазме ПЛК в боковом направлении, отсутствует. Сделан вывод о необходимости использования схем обработки с боковым расположением ПЛК относительно заготовки и исключить из экспериментальных исследований схемы с торцевым расположением, из-за невозможности создания межэлектродного зазора и нежелательного воздействия лазерного излучения на заготовку.
5. Проведены исследования протекания электрических разрядов между ПЛК и обрабатываемой заготовкой. Подтверждено предположение о возможности электрического пробоя между ПЛК и твердотельным электродом. Зафиксировано, что после электрического разряда в условиях электроэрозионной обработки с использованием ПЛК, ПЛК разрушается и не может быть повторно использован в качестве инструмента. При расстоянии между токоподводом и заготовкой менее 2 мм ПЛК перестает быть инструментом и является лишь средой распространения электрических разряд, которые происходят между токподводом и заготовкой.
6. Проведены исследования размеров и форм единичных электроэрозионных лунок. Установлены зависимости размеров лунок от амплитуды электрических импульсов, рабочей жидкости и материала заготовки. По итогам исследований рекомендовано применение прямой полярности подключения электродов при обработке.
