Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния исследований по расширению области использования в технологии машиностроения проволочного электрода-инструмента 11
1.1. Технологические возможности оборудования при изготовлении деталей проволочным электродом 11
1.2. Влияние толщины детали на технологические режимы и показатели процесса обработки электродом-проволокой (ЭП) 16
1.3. Процессы, протекающие при импульсных воздействиях 21
1.4. Влияние резонансных явлений и автоколебаний на устойчивость технологических систем 28
1.5. Влияние режимов обработки на качество поверхностного слоя 33
Анализ состояния вопроса и обоснование решаемых задач исследования 36
ГЛАВА 2. Методика решения поставленных задач, техническое и методологическое обеспечение путей достижения поставленной цели 39
2.1. Рабочие гипотезы 39
2.2. Оборудование и средства технологического оснащения 40
2.3. Технология измерения суммарного воздействия силы импульсов на ЭП... 48
2.4. Научная база для достижения поставленной цели 49
2.5. Программа выполнения работы 59
Выводы по главе 2 65
ГЛАВА 3. Механизм поведения проволочного электрода при изменении расстояния между опорами 66
3.1.Условия, определяющие поведение электрода-проволоки в пазе 66
3.2. Суммарное действие сил на проволочный электрод в пазе при электроэрозионной и комбинированной обработке 67
3.3. Изменение положения проволочного электрода в пазе под действием сил мпульсов 77
3.4. Условия образования автоколебаний ЭП 78
3.5. Способ и устройство для стабилизации положения проволочного электрода в пазе 89
Выводы по 3 главе 95
ГЛАВА 4. Технология электроэрозионной и комбинированной обработки проволочным электродом деталей повышенной толщины и сложности профиля 97
4.1. Технологические режимы 97
4.2. Проектирование технологического процесса обработки ЭП деталей большой толщины 106
4.3. Новые технологические способы и технология обработки спрофилированным проволочным электродом сложнопрофильных элементов деталей ПО
4.4. Технологическая подготовка производства 119
4.5. Опыт чистовой обработки деталей большой толщины, в том числе с ограниченным доступом инструмента 140
4.6. Повышение эксплуатационных характеристик поверхности после комбинированной обработки 149
4.7. Перспективы использования материалов работы при создании наукоемкой продукции машиностроения 156
Выводы по 4 главе 160
Заключение 161
Общие выводы 162
Список литературы 164
- Процессы, протекающие при импульсных воздействиях
- Оборудование и средства технологического оснащения
- Суммарное действие сил на проволочный электрод в пазе при электроэрозионной и комбинированной обработке
- Технологическая подготовка производства
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Электроэрозионная обработка
непрофилированным проволочным электродом-инструментом (ЭИ) появилась в
нашей стране в 60-ые гг. прошлого века. Первые станки серии «Электром-15» были
выпущены в единичных экземплярах лабораторией ЦНИЛ-Электром (г. Москва), а
их технологическое освоение происходило в НИАТ (руководитель исследования
профессор Смоленцев В.П.). Далее в г. Кировокане был налажен серийный выпуск
оборудования (4531, 4532, 4733 и др.). В таких станках применялась схема
перемещения проволоки между рами, установленными перед и после
разрезаемой заготовки, что ограничивало область использования этого метода по толщине заготовки и доступу инструмента в зону обработки. В частности, исключалась возможность изготовления профилей в закрытых полостях, где возможен только односторонний подвод и отвод проволочного электрода.
Проводимые исследования по увеличению толщины разрезаемых заготовок позволили при чистовых операциях достичь величины до 300-400 мм, а на заготовительных, где разрезание, как правило, выполнялось по одной координате, эта величина может достигать 1000 мм и более. С увеличением толщины заготовок постоянно снижается точность величины и положения паза. Все попытки стабилизировать процесс за счет создания системы внешних опор и упругих элементов являются недостаточными для обеспечения точности обработки и стабилизации процесса разделения деталей повышенной толщины и сложности. Требуются новые технологические и конструкторские приемы для управления положением проволочного электрода внутри разрезаемого паза, что позволяет стабилизировать процесс изготовления деталей, в том числе в случае одностороннего подхода инструмента, где длина проволоки между опорами может существенно возрастать. При этом недопустимо вносить изменения в конструкцию современного дорогостоящего оборудования, особенно зарубежного производства.
В России в период перестройки разработка и выпуск специального оборудования практически прекратились, а станки стали приобретаться в Швейцарии, Японии, Испании, США. Возникло серьезное техническое отставание страны в этой отрасли машиностроения. В связи с возрождением отечественного станкостроения активизировались исследования по нетрадиционным методам обработки в научных школах Москвы, Воронежа, Казани, Тулы, Уфы, и в других городах страны. При этом наиболее актуальным направлением работ в текущий период времени становится разработка оборудования и технологии, основанных на новых способах и устройствах, защищенных охранными документами. Это позволяет сформировать базу для обеспечения конкурентоспособности создаваемых технических средств на мировом рынке и обеспечить востребованность отечественной продукции машиностроения страны, восстановление авторитета России в области электрических методов обработки, которые впервые появились в нашей стране.
Новое оборудование и технологии для нетрадиционных методов обработки требуются, в первую очередь, при создании перспективных изделий в
авиакосмической отрасли, где электрические методы обработки наиболее актуальны и открывают возможность проектирования перспективных наукоемких изделий, изготовление которых традиционными методами невозможно или экономически не эффективно.
Представленная работа учитывает и развивает технологию изготовления уникальных базовых деталей и узлов создаваемой продукции в различных областях машиностроения.
Работа выполнялась по тематическим карточкам Росавиакосмоса, Роскосмоса, и
в соответствии с постановлением Правительства РФ №2164-П «О проведении
государственной программы «Мобильный комплекс» (раздел «Техническое
перевооружение»), с федеральной целевой программой «Научные и научно-
педагогические кадры инновационной России» (раздел 1.2.1 «Проведение поисковых
научно-исследовательских работ по направлению «Ракетостроение») и научным
направлением ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический
университет» по плану ГБ НИР №2010.15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».
Целью работы является расширение технологических возможностей электроэрозионной и комбинированной обработки электродом-проволокой (ЭП) на точные детали с повышенной толщиной путем управления положением инструмента по длине зоны обработки, а также изготовление деталей с односторонним и нетрадиционным трактом проволочного электрода, и создание средств стабилизации положения инструмента в пазе при расширении диапазона расстояний между опорами проволочного электрода-инструмента.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Анализ и совершенствование механизма изменения положения проволочного электрода внутри паза в зависимости от длины свободного участка и сил, возникающих при электроэрозионном и комбинированном процессе обработки.
-
Моделирование кинематики перемещения в пазе проволочного электрода через зону обработки при обработке полузакрытых участков деталей и при нетрадиционной трассе перемещения ЭП.
-
Обоснование достижимой точности процесса обработки непрофилированным электродом для технологических схем с увеличенной толщиной детали и нетрадиционным выходом инструмента из зоны обработки.
-
Исследование закономерностей и разработка рекомендаций для чистовой обработки проволочным электродом деталей повышенной толщины и сложности вырезаемого контура.
-
Создание способов и устройств для стабилизации положения электрода-проволоки в пазе при возникновении автоколебательного процесса.
-
Разработка методики расчета режимов чистовой обработки проволочным ЭП и проектирование технологического процесса с учетом длины участка ЭП между опорами и геометрического положения участков трассы инструмента в зоне обработки.
7. Обоснование расширения области рационального использования в
машиностроении процессов обработки непрофилированным электродом.
Объект исследования – технологические процессы и возможности обработки проволочным электродом при повышенных размерах свободного участка проволоки между опорами, а также при разделении металлических материалов с нетрадиционной трассой перемещений ЭП. Новые способы и устройства для управления положением электрода в пазе для достижения стабильности и точности процесса обработки металлических, в том числе прецизионных, деталей изделий машиностроения.
Научная проблема – отсутствие достаточных исследований поведения и путей стабилизации положения проволочного электрода в пазе повышенной длины, в том числе при автоколебательных перемещениях проволоки в пазе и с нетрадиционной траекторией перемотки проволоки, что дестабилизирует процесс, снижает точность обработки, ограничивает толщину разделяемой заготовки, технологические возможности и область эффективного применения процесса.
Научная новизна:
-
Научное описание механизма поведения и путей стабилизации положения проволочного электрода непосредственно в длинномерном пазе под стохастическим воздействием импульсных разрядов в процессе электроэрозионной и комбинированной обработки, учитывающее колебательные и автоколебательные процессы в пазе, положенное в основу разработки новых способов стабилизации проволочного электрода, открывающее возможность устранения ограничений по толщине и геометрии разделяемых деталей без снижения их точности.
-
Теоретическое обоснование технических возможностей и механизма получения точных деталей при обработке полузакрытых участков конструкций с нетрадиционной траекторией рабочего перемещения инструмента за счет совершенствования кинематики перемотки электрода, в том числе при одностороннем подводе и выведении его из зоны разделения инструмента, что стало предметом изобретения при создании нового способа обработки.
-
Модель перемещения непрофилированного ЭП непосредственно в длинном пазе, учитывающая связь между параметрами импульсов разрядов и удалением места воздействия силы импульсов от опорных точек элементов узла перемотки проволоки.
-
Научное обоснование рациональных возможностей чистовой обработки по изготовлению пазов в деталях с ограниченным подводом электрода в рабочую зону с учетом совместных воздействий на инструмент технологических и конструктивных параметров, что позволило разработать способы и устройства для обработки точных деталей повышенной толщины и полузакрытых элементов изделий, где ранее механическая обработка считалась неосуществимой.
Практическая значимость: 1. Расширены технологические возможности применения проволочного электрода с достижением геометрической точности
профиля паза до 6 степени при увеличении толщины детали до 1,5 раз по сравнению с ранее принятыми ограничениями.
2. Создание способов и конструкции узлов для комплектования серийного
электроэрозионного оборудования новыми устройствами для стабилизации
положения инструмента в пазе и перемещения проволочного электрода без
вмешательства в устройство оборудования и без нарушения гарантий фирм-
поставщиков дорогостоящих станков в период их бесплатного обслуживания
разработчиками и позднее, что способствует загрузке дорогостоящего
оборудования и расширению области его технологического применения, особенно в наукоемких отраслях типа авиационно-космической промышленности.
2. Методика расчета технологических режимов стабилизации положения
проволочного электрода, проектирование технологического процесса с
достижением высокой точности профиля разделения заготовок повышенной
толщины, а также получения прецизионных профилей при одностороннем и
нетрадиционном подводе в зону обработки проволочного электрода, что расширяет
область использования электроэрозионной и комбинированной обработки при
изготовлении сложнопрофильных деталей повышенных габаритов с ограниченным
доступом инструмента к месту выполнения операции.
3. Технико-экономическое обоснование перспектив применения имеющегося и
вновь создаваемого оборудования с непрофилированным ЭП, что актуально на
этапе возрождения отечественного станкостроения и служит базой для обеспечения
конкурентоспособности оборудования на мировом рынке в ближайшей перспективе.
Автор защищает разработанный способ и механизм стабилизации
положения и перемещения в пазе проволочного электрода-инструмента, что
повышает технологические возможности и расширяет область использования
электроэрозионного и комбинированного процесса на крупногабаритные точные
детали сложного профиля для наукоемких перспективных изделий
машиностроения.
Апробация работы: Результаты работы и ее составные части представлялись
и обсуждались на следующих конференциях: V Международной научно-
практической конференции «Студент. Специалист. Профессионал» (ССП – 2012)
(Воронеж, 2012); XV Международной научно-технической конференции
«Фундаментальные проблемы техники и технологии» - «Технология-2012»,
посвященной 120-летию со дня рождения Н.Н. Поликарпова (Орел, 2012); IV
Международной научно-технической конференции «ТМ-2012» (Рыбинск, РГАТУ,
2012), V International Conference «Science and Education» 27 – 28.02.2014; VII-ой
Международной научно-технической конференции «ТМ-2015» (Брянск, БГТУ, 2015
); Международной научно-технической конференции «Наукоемкие и волновые
технологии в машиностроении, металлообработке и других отраслях» (Ростов-на-
Дону, ДГТУ, 2015 г.); отраслевой конференции 12.04.14 (Воронеж, ВГТУ-ВМЗ,
2014); Международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии
на современном этапе развития машиностроения» (Москва, 2016); VI
Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием 25-27
апреля 2016 (Иркутск, ИрНИТУ, 2016), Международном симпозиуме
«Перспективные направления развития финишных методов обработки;
микроволновые технологии», (Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2016); V Международной научно-технической конференции МТЕТ-2016 6-8 октября 2016 (Санкт-Петербург, СППУ Петра Великого, 2016).
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы прошли
проверку в цехах ВМЗ – филиала ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и внедрены в
серийное производство ракетных двигателей, а также на НПП «Гидротехника»,
ФПК «ВСЗ – Холдинг» с реальным экономическим эффектом. Материалы
проведенных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВО
«Липецкий государственный технический университет» ЛГТУ, ФГБОУ ВО
«Воронежский государственный технический университет» ВГТУ, ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет» ЮЗГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ общим объемом 4,8 п.л., где соискателю принадлежит 2,08 печатного листа. В их число входит 5 публикаций в изданиях по списку ВАК РФ и системе Scopus, 1 монография.
В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат:
[1;2;3;6;11;12] - разработка методов и средств стабилизации качества
поверхностного слоя после электроэрозионной и комбинированной обработки; [4] -
технология обработки каналов с большим соотношением глубины к диаметру;
[5;7;8] - технология автоматизированной подготовки производства при
использовании проволочного электрода-инструмента; [9;10] - особенности проектирования технологических процессов бесконтактной обработки.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, приложений, списка литературы из 103 наименований. Работа изложена на 178 страницах, содержит 65 рисунков и 15 таблиц.
Процессы, протекающие при импульсных воздействиях
В [100] утверждается, что наибольшая величина сил /этах возникает при 0,25Т (рис. 1.4), для чего технологические параметры могут быть рассчитаны по формуле f3max = 0,12110(кн,Ю2и?С/Ьэкв (1.11) где С - емкость конденсаторов; Ьэкв - индуктивность системы. Нас интересует плотность поверхностных сил f3n на электроде-проволоке, которая по [100] составляет tm = 0,5H Oi0-ii3) (1.12) где Н± - напряженность магнитного поля на поверхности заготовки; д3 -магнитная проницаемость заготовки.
Напряженность магнитного поля может достигать значений, при которых происходит деформация материала. В [100] для медных сплавов указывается Н± 3 105 А/м, для вольфрамовых сплавов Н± 6 105 А/м. Там же указано, что для цветных сплавов при толщине заготовки 1 мм минимальная напряженность поля составляет 1,6 105 А/м. При этом напряжение в заготовке может превышать 1000 МПа. Для тонких заготовок величина Uc «1000 В.
В [100] утверждается, что на изменение положения поверхности заготовки оказывают влияние все полуволны, приведенные на рис. 1.4. Следует учитывать, что при электроэрозионной и комбинированной обработке процесс протекает в жидкой среде, и может возникать навигация, изменяющая состояние ударных волн и вызывающая задержку начала действия сил на электрод. Это способствует появлению автоколебательных перемещений ЭП в пазе.
Механизм импульсного воздействия на объект достаточно полно рассмотрен в [74]. воздействиями В технике известны различные способы удаления хрупких покрытий различной толщины [74]. Среди них наибольшие перспективы имеет магнитноимпульсный метод с ударным действием бойка на заготовку Технология такой очистки позволяет изменять энергию импульса, частоту ударных воздействий с гарантией от повреждения поверхностности литой заготовки с любыми размерами. Мощность импульса регулируется емкостью конденсаторов и величиной напряжения.
На рис. 1.5 приведена схема механизма очистки от загрязнений, расположенных на поверхности нежесткой (как правило, листовой) заготовки. В процессе очистки применяют [74] импульсные воздействия бойком, работающим под действием электромагнитных сил. Аналогичные схемы используются при очистке ажурных литых заготовок при производстве ракетно-космической техники.
Схема магнито-импульсногообработки деталей: 1 - корпус камеры; 2 - боек; 3 - корпус установки; 4 - стенка заготовки (обечайки); 5 - покрытие; 6 -упругий элемент (пружина); 7 генератор импульсов; 8 - индуктор. S - зазор между бойком и обечайкой
Процесс удаления покрытия происходит (рис. 1.5) за счет импульсных ударов на обечайку 4 с хрупким покрытием 5 бойка 2. Импульс создается индуктором 8, на который подается ток с силой в импульсе до 300 КА от генератора 7, работающего по RC - схеме, где R - регулируемое сопротивление; С - емкость конденсаторов .После удара бойком 2 в обечайку 4 происходит его возврат под действием пружины 6. Корпус 1 камеры с индуктором 8 закреплен на корпусе 3 установки, а положение рабочей поверхности бойка 2 относительно обечайки 4 регулируют так, чтобы зазор S (рис. 1.5) был в пределах 0,2 - 1,0 мм.
Под действием удара бойка 1 возникает вибрация заготовки и покрытия 5 (если оно имеется). Под действием удара часть загрязнения (покрытия 5) отделяется от обечайки 4 и происходит очистка участков заготовки. Далее установку перемещают вдоль поверхности обечайки 4.
При разработке технологических процессов обработки силовыми импульсами учитывают особенности протекания процессов: волновый характер передачи энергии [3] и распространения напряжений и деформаций в заготовке; высокую скорость деформирования заготовки, составляющую 50-200 м/с, что в 104-106 раз превышает скорость пластического деформирования на механических и гидравлических прессах; заметное влияние инерционных сил при деформации заготовки; изменение свойств материала заготовки в процессе нагружения (при высокоскоростном деформировании предел текучести материала по сравнению с деформированием с обычными скоростями возрастает на 31- 60 %, а предел прочности на 20-66 %).
Методика расчета параметров и режимов выполнения процесса Расчеты технологических процессов воздействия электрических импульсов, как и других высокоскоростных процессов, выполняются в следующей последовательности: - определение технологических параметров процесса; - расчет работы деформации при формообразовании детали; - определение коэффициента полезного действия (КПД) преобразования выделившейся при импульсе энергии в работу деформации; - расчет технологических режимов работы магнитно-импульсной установки; - проверка расчетных параметров на экспериментальной установке; - уточнение технологических и силовых параметров процесса; - составление технологической документации или передача данных для хранения в базу (банк) данных
Оборудование и средства технологического оснащения
Для проведения экспериментально-опытных работ потребовалось оборудование, которое было невозможно модернизировать под решение задач, поставленных в работе. Стоимость таких станков может превышать 40 миллионов рублей, а гарантийный (дешевый) ремонт возможен только при условии сохранения пломб завода-изготовителя. Поэтому нами использовался Швейцарский станок (рис. 2.1) с длительным периодом эксплуатации после гарантийного срока. Рис. 2.1. Модернизированный станок с профилированным проволочным электродом Agiecut Dem 100 D.
Технические характеристики станка до модификации приведены в таблице 1.1 Такое оборудование позволяет изменять параметры станка под выполнение поставленных задач. Для модернизации станка были выполнены узлы, устанавливаемые на столе станка. На рис. 2.2 приведена схема приспособления, которое позволяет изменять величину раскрытия скобы для установки образцов различной толщины.
В станке установлены баки из нержавеющей стали для быстрой смены рабочей жидкости с учетом перехода на комбинированные методы обработки. К полезным особенностям станка на рис. 2.1 следует отнести наличие приборов для контроля режимов обработки, что позволяет визуально оценивать стабильность процесса. »vnpH
Схема приспособления для изучения влияния толщины обрабатываемого участка детали на поведение проволоки в пазе: 1 - образец детали; 2 - электрод-проволока; 3 - паз с регулятором натяжения проволоки; 4 -форсунка для подачи рабочей жидкости; 5 - планка; 6 - стопор; 7 - стойка; 8 -шкала; 9 - ролик; 10 - гаситель колебаний проволоки
Устройство на рис. 2.2 повторяет все элементы современной конструкции перемотки проволоки, включая механизм 10 гашения колебаний и форсунку 4 для принудительной прокачки рабочей среды.
Для исследования процесса обработки деталей с ограниченным подводом инструмента в рабочую зону (рис. 2.3,а) было разработано приспособление, приведенное на рис. 2.3,б. Обработка ЭП труднодоступных участков: а) сопловой аппарат турбокомпрессора двигателя, материал: 31Х19Н9МВБТЛ (ЭИ 752), заготовка: литье по выплавляемым моделям; б) схема обработки На рис.2.3 приведен пример обработки ЭП кромок и периферийного участка лопаток турбин (рис. 2.3,а) и компрессоров двигателей, а также схема установки (рис. 2.3,б) для обработки таких участков проволочным электродом. В главе 4 показаны возможности формирования кромки лопатки осевой турбины, где требуются механизмы подачи проволоки в зону обработки, одним из которых может быть предложенное соискателем устройство [58].
Схема установки для наблюдения за поведением проволоки в пазе: 1 - электрод-проволока; 2, 3 - пластины из кварцевого стекла; 4 - видеокамера; 5 - стяжка; 6 - образец детали; 7 - подсветка; Vn, Рн - скорость перемотки и натяжение электрода-проволоки; х - направление подачи электрода-проволоки; SG - боковой межэлектродный зазор Здесь (рис. 2.4) образец 6 из исследуемого материала с толщиной, равной диаметру проволоки с боковыми межэлектродными зазорами устанавливается между прозрачными пластинами (2; 3) и за счет подсветки 7 можно наблюдать поведение проволоки во время разрезки образца в направлении «х». Одновременно проводится съемка положения ЭП на видеокамеру 4. Если прозрачность пластин нарушается, то образец детали утоняют на величину оставшегося после обработки слоя металла со стороны одной из пластин. При измерении положения проволоки можно измерить (рис. 2.5) боковой зазор S6, отброс проволоки Д1п силой FH действия импульсов при различном натяжении Рн и скорости перемотки Vn проволоки.
Схема модернизированного источника питания станка с спрофилированным электродом (ЭП): БЗ - блок управления началом действия внешнего импульса; ОТ - ограничитель средней силы тока, подаваемого на электрод-проволоку (ЭП)
Сила тока /, подаваемого на ЭП, зависит от диаметра ЭП dn. С учетом глубины лунок от импульсов и износа инструмента предельное значение силы тока выбирается: - для dn=0,2 мм - 6 А; - для dn=0,25 мм - 8 А; - для dn=0,3 мм - 10 А. Величина сдвига начала действия импульса Ати не превышает 0,2ти. Дальнейшее увеличение Ати может привести к пропуску рабочих разрядов и нарушению процесса обработки. a) б) Рис. 2.7. Схема экспериментальной установки для измерения суммарной силы действия импульсов: 1 - образец; 2, 3 - прозрачные стенки; 4 - электрод-проволока; 5 - фольга-прокладка; 6 - мастика; 7 - вмятина на мастике; 8 -разрядник; dn - диаметр проволоки; AFU - суммарная сила действия импульсов; dp - диаметр ролика; S6 - боковой зазор; Рр - давление ролика На рис. 2.7 показана схема измерения силы FH ПРИ фиксированном количестве импульсов, где применяется мастика 6 в полужидком состоянии (рис. 2.7,а). В пространство между проволокой 4 и мастикой при настройке эксперимента закладывают фольгу 5 с толщиной S6j которую удаляют до начала опытов. Под действием силы FH проволока 4 оставляет на мастике 6 вмятину Д1. После этого установку разбирают и на ту же мастику помещают (рис. 2.7,б) ролик с диаметром dF и вдавливают его в мастику на глубину Д1 .Фиксируют силу Fp, суммируют ее с весом ролика и принимают равной
Суммарное действие сил на проволочный электрод в пазе при электроэрозионной и комбинированной обработке
Анализ состояния вопроса (глава 1) и предложенные научные гипотезы (глава 2) позволили разработать механизм поведения проволочного электрода (ЭП) под действием электрических разрядов с учетом жесткости, создаваемой системой натяжения инструмента. Жесткость снижается по мере увеличения толщины разделяемого участка заготовки и введения в систему дополнительных звеньев, изменяющих, например, направление вывода проволоки из зоны обработки.
На динамику изменения амплитуды и частоты колебаний проволоки влияют не только толщина заготовки, режимы протекания процесса, но и инерционные силы, возникающие за счет автоколебательных перемещений инструмента внутри паза.
Как показано в главе 1, для обеспечения стабильного процесса обработки электродом-проволокой, требуется изучить и улучшить динамику перемещения ЭП в пазе, для чего установить связи между стандартизированным диаметром латунного проволочного электрода и жесткостью станочной системы станка, что позволяет обоснованно назначать натяжение проволоки и минимально возможную скорость ее перемотки с учетом толщины обрабатываемого участка заготовки и степени доступности инструменту зоны разделения контура.
Следует учитывать, что при определенных условиях при большом расстоянии между опорами проволока, защемленная с одного конца, способна перемещаться в пазе при автоколебательном режиме, что требует создания принципиально нового подхода к стабилизации ее положения без вскрытия каких-либо узлов действующего оборудования. Последнее усложняет установку нужных приспособлений.
Для разработки методов и устройств для стабилизации положения проволоки в пазе необходимо определить силу суммарного воздействия на катод серии импульсов, воздействующих в наиболее неблагоприятный момент колебания проволоки, что необходимо для управления стабилизацией электрода.
Механизм воздействия на проволочный электрод На рис. 3.1. показано поведение проволочного электрода в пазе в процессе действия сил разрядов.
Воздействие сил импульсов на проволочный электрод-инструмент (2): а) при малой толщине зоны обработки детали (1); б) при большой толщине; Н - толщина зоны обработки; Рт - сила торможения движению проволоки на входе; Рн - сила натяжения проволоки (2) диаметром dn; Vn - скорость перемотки проволоки; Y,FU - суммарная приведенная сила воздействия на проволочный электрод-инструмент (2) импульсами разрядов при теоретически возможном наибольшем количестве импульсов; SCl - боковой межэлектродный зазор; х -направление подачи электрода-проволоки (ЭП); Л1п - прогиб ЭП
При незначительной толщине обрабатываемого участка детали 1 (рис. 3.1, а) сила Р„ натяжения ЭП достаточна для удержания оси ЭП в начальном положении, и прогиба не наблюдается. При большой толщине (рис. 3.1,б) расстояние между опорами ЭП возрастает, а количество импульсов в период противостояния обрабатываемой поверхности детали (2) и ЭП (1) при межэлектродном боковом зазоре S6 может быть таким, что они способны покрыть фронтальную (в направлении X) часть ЭП сплошным полем импульсов. При малой (экономичной) скорости перемотки (Vn) и значительной толщине детали (Н на рис. 3.1, б) за период прохождения начального участка ЭП через паз детали импульсы многократно воздействуют на ЭП и деталь. Возникает износ проволоки по длине и формируется уклон по высоте паза детали, который при толщине участка детали (1) 100-120 мм создает угол наклона боковых поверхностей, который не превышает 0,5-1.
Сила натяжения Рн не может превышать удельной прочности ЭП на растяжение, а с учетом импульсного воздействия группы разрядов она в расчетах должна быть ниже стандартной величины прочности ЭП. Тогда под действием суммарной силы FU при большой длине свободного участка ЭП проволока образует прогиб А1п в сторону, противоположную ее подаче. При перемещении проволоки в сторону детали величина Al n = S6, и разряды в средней части высоты Н детали 1 прекратятся. Процесс обработки будет нарушен, что наблюдается как пауза в обработке при разделении толстых заготовок. Это может вызывать дефекты детали в форме так называемых «зарезов». Устранение такого дефекта путем увеличения натяжения Рн или скорости перемотки Vn не всегда возможно или нерационально. Во всех случаях скорость перемотки Vn значительно зависит от толщины Н участка заготовки. Vn = fm (3-1) Подача ЭП в направлении Х при большой толщине Н вызывает износ ЭП не только со стороны подачи (рис. 3.1, а), но и с боковых участков ЭП, что нарушает точность профиля. Особенно нецелесообразно иметь автоколебательный процесс перемещения ЭП в направлении ее прогиба, что теоретически возможно и практически наблюдается при обработке толстых участков детали. Это одна из причин для ограничения предельной толщины разделяемой заготовки, которая по информации из главы 1, как правило, для чистовой обработки не превышает 300-350 мм, что ограничивает область применения ЭП для деталей с большой толщиной участков. Из литературы известны случаи чернового разделения деталей ЭП с большой толщиной, но добиться стабильного протекания процесса чистовой обработки в этом случае пока не удается.
Технологическая подготовка производства
Минимальная скорость перемотки, полученная расчетным методом, обеспечивает стабильное протекание процесса обработки только для малых толщин, далее (особенно при толщинах более 100 мм) скорость перемотки не дает возможности обеспечить требуемую точность профиля (наблюдаются врезания ЭП). Это удалось устранить стабилизацией положения проволоки в пазе за счет использования предложенного соискателем способа (результат показан пунктиром на рис. 4.4).
При расчетах Vn тіп не учитывались теоретически возможные воздействия на проволоку динамических ударов, формирующихся при пучках импульсов на участке в середине толщины обрабатываемого участка детали. Как известно [3; 42] динамическая составляющая силы может удваивать результирующую величину. Это явно проявляется на рис. 4.4, поэтому расчет требуемой скорости перемотки проволоки можно выполнять по формуле (4.5) с коэффициентом запаса по скорости кс=1,5-2,5. Уп =kсVnmin (4.10) Во вновь создаваемых отечественных станках с проволочным электродом этот коэффициент завышается до 4-5, что вызывает необоснованный перерасход проволоки.
Теоретически возможно плавно увеличивать скорость перемотки при возрастании толщины обрабатываемого участка детали. Но практически этого не делают, т.к. усложнение оборудования не оправдывает выигрыш по стоимости сэкономленной проволоки, которая после использования поступает на переработку. Поэтому рекомендуется в качестве режимного параметра постоянно использовать для каждой детали скорость перемотки, рассчитанную по формуле (4.10) для участка детали с наибольшей толщиной. При этом возможно округление результата, если на станке имеются фиксированные значения скорости перемотки.
Выбор величины натяжения проволоки Натяжение проволоки определяет точность и стабильность процесса обработки. Для деталей повышенной (свыше 50-80 мм) толщины желательно увеличивать натяжение, учитывая прочность материала ЭП на растяжение, износ его по сечению и воздействие от импульса силы разрядов (формула (1.16).
Если рассматривать величину Мп без учета автоколебательного процесса, то с увеличением толщины места обработки А1п резко возрастает, но этого не происходит, т.к. амплитуда колебаний проволоки в направлении паза ограничена величиной бокового зазора S6, и влияние Н оказывается незначительным (кроме автоколебательного процесса, рассмотренного в 3.4). Но с увеличением Н величина А1п после отскока может возрастать и увеличивать натяжение под действием импульсов, как показано на рис. 4.5.
Расчетная схема для определения натяжения проволоки: ЛFn увеличение силы натяжения проволоки за счет действия импульсов (FU); а угол отклонения проволоки от начального положения
Суммарная сила FH зависит от натяжения FH и его приращения ЛFn. Из анализа таблицы 4.2. следует, что для стабилизации процесса обработки деталей большой толщины следует использовать ЭП большего диаметра. Это позволяет повысить натяжение FH, хотя применение такой же проволоки при малых толщинах вызывает значительные потери средств на инструмент. Замена ЭП при разделении деталей различной толщины обычно не делается, т.к. это вызывает необходимость в дополнительных трудозатратах.
Как показано в предшествующих главах работы, обработка деталей с большой толщиной (при использовании непрофилированного проволочного электрода) представляет значительные технологические трудности, и изготовление таких деталей этим методом целесообразно выделить в отдельную группу. При этом не существует математического описания границы между изделиями доступной для обработки формы и толщины и деталями больших габаритов. Поэтому на стадии анализа исходных данных технологического процесса требуется определить содержание этапа подготовки производства с учетом специфики обработки деталей повышенной толщины, и ввести в технологический процесс пункты, обеспечивающие получение кондиционной детали на этапе ее обработки. На заключительном этапе необходимо использовать некоторые виды контроля, учитывающие требования и специфику обработки деталей повышенной толщины. Следует учитывать, что в ряде случаев толщина участка обработки может быть незначительной, но этот участок углублен в отверстие или полость, а расстояние между опорами ЭП во много раз превышает толщину участка. В этом случае может оказаться, что для достижения стабильности процесса обработки потребуется сужение границы зоны эффективного протекания процесса без принятия мер по его стабилизации.
С учетом сказанного, можно создать методику автоматизированного проектирования технологического процесса (рис. 4.6) со средствами технологического оснащения (СТО), отвечающую требованиям получения кондиционной продукции на современном оборудовании с спрофилированным электродом-проволокой.