Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Назначение и технические требования атравматических и гл 8
1.2. Анализ методов получения капиллярных отверстий в атравматических иглах 10
1.3. Оборудование для электроэрозионной прошивки капиллярных отверстий 12
1.4. Технологические особенности электроэрозионной обработки капиллярных отверстий
1.4.1. Точность обработки капиллярных отверстий 16
1.4.2. Качество и физические свойства обработанной поверхности капиллярных отверстий 19
1.4.3. Производительность обработки капиллярных отверстий 21
1.5. Требования, предъявляемые к оборудованию для
электроэрозионной прошивки капиллярных отверстий 24
1.5.1. Особенности генераторы импульсов для обработки капиллярных отверстий 24
1.5.2. Особенности электрода-инструмента и межэлектродной среды для обработки капиллярных отверстий 28
1.5.3. Анализ вибрации электрода-инструмента для прошивки капиллярных отверстий 31
1.5.4. Особенности следящих систем для обработки капиллярных отверстий 32
2. Теоретические исследования. Методы исследований 38
2.1. Особенности расчета по мощности силовых транзисторных ключей, используемых в генераторах импульсов для станков электроэрозионной обработки
2.2. Исследование вопросов создание генератора сверхкоротких импульсов 44
2.3. Моделирование производительности электроэрозионной прошивки 56
2.4. Моделирование и расчет оптимальных энергий импульсов в процессе обработки 57
2.5. Моделирование и расчет оптимальных параметров вибрации электрода-инструмента в процессе обработки 59
2.6. Методика проведения многофакторного эксперимента по определению параметров процесса прошивки капиллярных отверстий 64
2.7. Методика проведения эксперимента по определению шероховатости поверхности капиллярного отверстия 70
3. Экспериментальные исследования. Результаты исследований 74
3.1. Исследование длительности переходных процессов параллельно работающих транзисторов генератора импульсов... 74
3.2. Исследование производительности электроэрозионной прошивки 78
3.3. Исследование зависимости производительности электроэрозионной прошивки от энергии импульсов 82
3.4. Исследование зависимости производительности электроэрозионной прошивки от частоты импульсов 91
3.5. Исследования влияния амплитуды вибрации электрода-инструмента на износ электрода-инструмента и производительность электроэрозионной прошивки 99
3.6. Многофакторный эксперимент по определению износа электрода-инструмента и производительности процесса прошивки капиллярных отверстий 102
3.7. Эксперимент по определению шероховатости поверхности капиллярного отверстия 118
4. Практические результаты 125
4.1. Рекомендуемые режимы обработки 125
4.2. Адаптивный электромеханический регулятор подачи электрода-инструмента электроэрозионного станка 131
4.3. Сравнительная оценка экономической эффективности внедрения результатов работы 137
Общие выводы 141
Список литературы
- Технологические особенности электроэрозионной обработки капиллярных отверстий
- Исследование вопросов создание генератора сверхкоротких импульсов
- Исследование производительности электроэрозионной прошивки
- Адаптивный электромеханический регулятор подачи электрода-инструмента электроэрозионного станка
Введение к работе
Актуальность работы
Во всех областях хирургии целесообразно, а при оперативных вмешательствах на сосудах, сердце, желчевыводящих путях необходимо применение атравматических игл. В отличие от ушковых игл, прорезающих большой канал в тканях сдвоенной нитью, атравматические иглы соизмеримы по диаметру с нитью, запрессованной в их хвостовую часть.
В развитых странах применение многоразовых хирургических игл законодательно запрещено. Поэтому тот, кто в наши дни использует многоразовые хирургические иглы для проведения операций, отстает в технологии проведения операций как минимум на 100 лет!
Разработанная в 90-х годах в России конструкция атравматических игл положительно отличается от европейских благодаря цельности конструкции трубчатого торца иглы, предназначенного для соосного закрепления сшивающей нити. В европейских иглах эта часть нглы получается скатыванием в микротрубочку. Такое конструктивное достоинство отечественных игл обеспечивается электроэрозионной технологией. Совершенствование отечественной технологии производства атравматических игл, улучшение их качества, снижение себестоимости предполагает возможный выход Российских производителей на мировой рынок.
Поэтому решение вопроса получения капиллярного отверстия в торце иглы электроэрозионным способом с применением специальных станков, позволяющих также производить обработку отверстий в других материалах и деталях, требует проведения соответствующих исследований.
Цель работы
Повышение производительности прошивки капиллярных отверстий в атравматических иглах, при минимальных затратах и сохранении качества получаемых отверстий.
Задачи исследований
Исследовать производительность и износ электрода-инструмента в зависимости от глубины обработки;
Исследовать зависимости шероховатости от режимов обработки;
Повышение производительности путем совершенствования генератора импульсов и следящей системы;
Исследовать оптимальные режимы вибрации электрода-инструмента;
Исследовать оптимальные режимы обработки (энергия импульса, частота импульса и т.д.).
Научная новизна работы
В работе теоретически установлены и экспериментально подтверждены технологические связи объектов технологии прошивки капиллярных отверстий, которые включают в себя:
Методику назначения оптимальных режимов прошивки капиллярных отверстий в атравматических иглах;
Закономерности износа электрода-инструмента при прошивке капиллярных отверстий в атравматических иглах;
Закономерности производительности процесса прошивки капиллярных отверстий в атравматических иглах;
Теоретически обоснованный способ управления параметрами вибрации электрода-инструмента.
Теоретически обоснованный способ увеличения быстродействия генератора импульсов.
Практическая ценность работы
Разработаны таблицы для определения оптимальных технологических
режимов электроэрозионной обработки капиллярных отверстий, которые
позволяют при более эффективном использовании оборудования, материала и
инструмента назначать режимы, обеспечивающие высокую
производительность. Разработан адаптивный регулятор подачи электрода-инструмента, который обеспечивает автоматическое управление параметрами вибрации электрода-инструмента.
Внедрение результатов работы
Результаты внедрены на ОАО «Белгородский завод «Ритм», а так же в учебном процессе Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова для студентов специальности 151001 -«Технология машиностроения».
Апробация работы
Материалы по работе доложены на международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» в г. Белгороде в 2005 году.
Автор защищает следующие основные положения:
- систему оптимизации параметров процесса прошивки капиллярных
отверстий;
- результаты, проведенных теоретических и экспериментальных исследований
по установлению закономерностей изменения основных технологических
параметров процесса прошивки капиллярных отверстий и режимами
обработки;
- конструкцию электромеханического регулятора подачи электрода-
инструмента, реализующую адаптивное управление параметрами вибрации
электрода-инструмента;
- инженерную методику назначения режимов при прошивке капиллярных
отверстий.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 работ, получен 1 патент на полезную модель.
Объем и структура работы
Технологические особенности электроэрозионной обработки капиллярных отверстий
Многократно повторяя импульсы, можно удалить слой металла по всей обрабатываемой поверхности. Для поддержания процесса необходимо постоянно сближать электроды. Через некоторое время обработанный участок заготовки повторит форму, обратную форме электрода-инструмента. Производительность Q процесса электроэрозионной обработки оценивается отношением объема или массы удаленного металла ко времени обработки (мм3/с) [4]. Величину Q рассчитывают по соотношению: Q = yv3f, где ц/ - коэффициент, учитывающий количество холостых импульсов: ц/ = - — (здесь /ги - частота импульсов, вырабатываемых генератором; / Jг.и. частота импульсов, вызывающих эрозию); V3 - средний объем металла, удаляемый за один импульс [71]. Для получения высокопроизводительного режима необходимо, чтобы ц/ был ближе к единице.
Для оценки производительности прошивки капиллярных отверстий не очень удобно пользоваться объемом или массой удаленного металла, так как объем или масса удаленного металла в единицу времени получается относительно маленькая. Для оценки производительности прошивки капиллярных отверстий лучше пользоваться линейным увеличением глубины капиллярного отверстия в единицу времени (мкм/сек).
Количество удаляемого металла при прецизионной электроэрозионной обработке при использовании RC-генераторов импульсов (при условии С 0,03 мкФ; /120 В; 1КЗ \ А) [64]: 1 1 2 Г, =0,22СЧ/2/,?.,., где С - емкость конденсатора, ф; U - напряжение источника питания, В. 1КЗ - ток короткого замыкания, А. При малой площади обработки число участков, на которых возможен разряд, значительно меньше, чем число импульсов, поступающих от генератора, так как часть площади перекрыта газовыми пузырями от предшествующих разрядов. Время существования газового пузыря в 5... 10 раз больше, чем длительность импульса. А разряд через газ возможен только при более высоком напряжении, поэтому часть импульсов генератора не вызывает эрозии. Снижается коэффициент у/, а, следовательно, и производительность Q.
Количество продуктов обработки зависит также от энергии импульсов, их числа и времени действия, т.е. от мощности, реализуемой в межэлектродном промежутке. При малой мощности количество расплавленного метала невелико, с ростом подводимой мощности оно возрастает, но при этом увеличивается и количество продуктов обработки, которые тормозят процесс съема металла. Для получения высокой производительности необходимо правильно выбрать сочетание площади обрабатываемой поверхности и мощности [4].
Мощность, реализуемая в межэлектродном промежутке при обработке капиллярных отверстий, численно равна произведению энергии импульсов Е на частоту / их повторения [4]: Р = Е/. Высокие требования к точности и шероховатости обработанной поверхности, а также малая жесткость электрода-проволоки предопределяют применение для электроэрозионной обработки ЛС-генераторов на режимах, когда в конденсаторе запасается энергия от 2,5 до 12 мкДж [71]. При использовании транзисторных генераторов импульсов для электроэрозионной обработки оптимальная величина запасенной энергии в конденсаторе не исследована.
По мере углубления отверстия усложняется удаление продуктов обработки и поступление свежей жидкости в межэлектродный промежуток. Наличие большого количества электропроводных частиц вызывает импульсы, энергия которых тратится на вторичное разрушение таких частиц. Для предотвращения таких «паразитных» импульсов используют принудительную прокачку рабочей жидкости, вибрацию и вращение электродов. Но для обработки капиллярных отверстий прокачка рабочей жидкости невозможна из-за малого диаметра отверстия. Влияние вибрации при прошивке капиллярных отверстий не исследовано.
В зависимости от свойств рабочей среды изменяются доля полезного использования энергии импульса, его предельная мощность. При электроэрозионном процессе с малой энергией импульса высокую производительность обеспечивает дистиллированная или техническая вода по сравнению с углеводородными жидкостями (керосин, дизельное топливо и т.д.). Для прошивки капиллярных отверстий используются относительно небольшие энергии импульсов.
Исследование вопросов создание генератора сверхкоротких импульсов
Технический прогресс в области электроэрозионной обработки во многом определяется совершенствованием мощных транзисторных генераторов импульсов, используемых в качестве источника питания для электроэрозионной обработки. В последние годы особенно значительны успехи ведущих зарубежных фирм по созданию генераторов импульсов для электроэрозионных вырезных станков, которые обеспечивают генерирование электрических импульсов с амплитудой тока до 500 А, напряжением до 300 В, частотой до сотен килогерц. К сожалению, отечественным специалистам пока не удалось аналогичного надежного генератора импульсов, хотя многочисленные попытки делались. Основная причина неудач - отсутствие мощных транзисторных ключей требуемых параметров. Несмотря на то, что последние разработки мощных транзисторных ключей (биполярных и полевых) позволили получить удовлетворительные параметры по напряжению и току, однако надежность силовых транзисторных ключей остается проблемной задачей.
В результате проведенных исследований удалось установить, что одной из главных причин выхода из строя транзисторных ключей является превышение допустимой средней и импульсной мощности, выделяемой на коллекторе транзисторного ключа в переходных процессах отпирания-запирания. Были получены соответствующие расчетные формулы. мэп
Так как для электроэрозионной обработки в основном используются генераторы прямоугольных импульсов (рассматривается генератор, описанный в главе 1.5.1), то транзисторный ключ Т (рис. 2.1), являясь активным элементом разрядного контура, выполняет функцию замыкания и размыкания конденсатора С на межэлектродный промежуток МЭП. Так как с точки зрения быстродействия идеальных транзисторных ключей не существует, то в переходных процессах отпирания транзистора, когда ток коллектора ік увеличивается от нуля до значения 1К, на коллекторе выделяется импульс мощности, амплитудное значение которой Рки может многократно превышать мощность Ркн, выделяемую на коллекторе после перехода транзистора в насыщение. Аналогичное явление происходит в переходных процессах запирания транзисторного ключа. Импульсный всплеск рассеиваемой на коллекторе мощности связан с тем, что в переходных процессах отпирания-запирания на транзисторе падает значительное напряжение и одновременно через него проходит значительный ток.
Наибольший интерес представляет случай, когда межэлектродный промежуток замкнут накоротко, так как транзисторный ключ при этом оказывается наиболее нагружен. Тогда схему, представленную на рис 2.1 можно представить в виде (рис. 2.2).
Мгновенная мощность, выделяемая на коллекторе транзисторного ключа, будет выглядеть: ?(/) = !/(/)./(/). (2.1) где U(t) - напряжение на транзисторном ключе, В; I{t) - ток, протекающий через транзисторный ключ, А. Ток, протекающий через транзисторный ключ в момент формирования переднего фронта импульса, имеет вид:
Так как в начальный момент времени при / = 0 напряжение на конденсаторе будет равно напряжению источника питания U{t) = E, то выражение (2.3) примет вид: U(0-E+! :B-Z-! JL ее t + т-е (2.4) Тогда мгновенная мощность, выделяемая на коллекторе транзисторного ключа в момент нарастания переднего фронта импульса, будет выглядеть: - Л(v Іб-В-т 1,-В ( - 1-е (2.5) P(t) = I6-B // С С Из схемы на рис. 2.2 видно, что ток разряда конденсатора ограничивается только максимальным током коллектора транзисторного ключа. В этом случае s-»l, уместно говорить об активной длительности фронта, т. е. транзисторный ключ не входит в насыщение. Исследуя функцию (2.5) не трудно установить, что длительность импульса мощности, выделяемой в переходном процессе отпирания транзисторного ключа, определяется следующим выражением: где кх - корень уравнения: Е-С к. -InЛ, = +1 1,-В-т Видно, что /ш - 0 при г- 0, т. е. с повышением быстродействия транзисторного ключа длительность импульса мощности уменьшается. Чтобы найти время, при котором мощность, выделяемая на коллекторе в момент нарастания переднего фронта импульса, будет достигать максимального значения, необходимо продифференцировать выражение (2.5) по г и приравнять к 0:
Исследование производительности электроэрозионной прошивки
При выборе максимальных режимов электроэрозионной обработки существенную роль играет площадь обработки. При малой площади обработки и большой подводимой мощности плотность энергии в межэлектродном промежутке будет чрезмерно велика, что может привести к образованию газового пузыря, шлакованию межэлектродного промежутка и к неизбежным перерывам процесса обработки.
Однако при очень большой площади (а также и глубине) обработки затрудненная эвакуация продуктов эрозии также препятствует увеличению подводимой мощности.
Эффективным приемом, позволяющим интенсифицировать процесс обработки, является нагнетание рабочей жидкости в эрозионный промежуток. Однако применение нагнетания рабочей жидкости усложняет и удорожает оборудование и электроды-инструменты, а при прошивании отверстий малого диаметра (менее 0,1 мм) обычно нагнетание неосуществимо.
Применение вибрации одного из электродов (обычно электрода-инструмента) вызывает, благодаря периодическому изменению зазора между электродами, усиленный обмен жидкости в нем. Это способствует удалению газовых пузырей и продуктов эрозии из межэлектродного промежутка, что позволяет увеличить мощность, подводимую к межэлектродному промежутку, и повысить производительность.
Однако следует отметить, что применение вибрации само по себе только снижает производительность обработки, так как периодическое изменение межэлектродного промежутка уменьшает количество рабочих импульсов (за счет коротких замыканий электродов и времени, когда расстояние между электродами больше пробивного).
Особенно это явление сказывается при тонких режимах (когда межэлектродные промежутки малы) и больших амплитудах вибрации. Поэтому вибрацию обычно применяют в тех случаях, когда процесс обработки без нее протекает неустойчиво, а амплитуду ее определяют опытным путем. Постепенно увеличивая от нуля амплитуду вибрации, добиваются стабилизации процесса. Обычно этот момент отвечает наибольшей производительности, дальнейшее увеличение амплитуды вибрации производительность обработки снижает.
Для проведения эксперимента необходимо было выявить максимальную амплитуду вибрации электрода-инструмента и разбить диапазон вибраций на участки.
Максимальная амплитуда вибрации определялась следующим образом. От электрода-инструмента были отключены генератор и следящая система и, была собрана цепь, представленная на рис. 2.10. Схема по определению максимальной амплитуды вибрации; 1 вибратор, 2 - электрод-инструмент, 3 - электрод-деталь, 4 - источник питания, 5 - токоограничительное сопротивление, 6 - вольтметр
Замер производился следующим образом. Была отключена подача станка и включен вибратор на максимальную амплитуду. Подвод производился вручную путем вращения вала электродвигателя подачи до появления первых малых показаний вольтметра. Этот момент начальная точка отсчета угла поворота вала электродвигателя. Чем меньше расстояние между электродами при вибрации, тем большее напряжение показывает вольтметр. Вращение электродвигателя продолжаем до тех пор, пока вольтметр не покажет напряжение источника питания.
По кинематической схеме станка, представленной на рис. 2.11 вычисляем амплитуду максимальной вибрации электрода-инструмента. d=W 4 5 Рис. 2.11. Кинематическая схема подачи; 1 - электродвигатель, 2,3 - шкив, 4 - червячное колесо, 5 - червяк, 6 - винт ходовой, 7 - гайка, 8 - катушка вибратора, 9 - якорь вибратора, 10 - патрон Измерения показали, что от момента начала касания электрода-инструмента детали и до полного касания угол поворота вала электродвигателя составил 370, что соответствует 1,028 оборотам. Следовательно, максимальная амплитуда вибрации составляет: Л =1,028- —. — -1мм = 0,0163 мм. шк 10 63 Значит, максимальная амплитуда вибрации составляет примерно 16 мкм.
Следующим шагом было разбиение диапазона амплитуд вибрации на участки. Зная абсолютную величину максимальной амплитуды вибрации можно относительным путем определить амплитуду в каждом конкретном случае. Для этого была собрана система для измерения относительного изменения амплитуды. Блок-схема данной системы изображена нарис. 2.12.
Целью проведения эксперимента является определения реальной зависимости износа электрода-инструмента у и производительности Q от диаметра электрода-инструмента d, глубины прошивки Н, энергии импульса Е, частоты следования импульсов /, частоты вибрации электрода-инструмента /„ и амплитуды вибрации А.
Адаптивный электромеханический регулятор подачи электрода-инструмента электроэрозионного станка
В данном разделе исследована зависимость производительности прошивки микроотверстий и износа электрода-инструмента от частоты импульсов для различных диаметров отверстий. При малых длительностях импульсов (до одной микросекунды) энергия выделяется в течение весьма короткого времен, и в канале разряда температуры достигают десятков тысяч градусов. При таких температурах плавятся и испаряются любые виды материала, поэтому короткие импульсы пригодны для обработки любых материалов. При обработке материалов импульсами малой длительности происходит весьма энергичный выброс расплавленного материала из зоны разряда, поэтому при прошивке отверстий глубиной до 10 диаметров обычно не требуется применения дополнительных мер для удаления продуктов эрозии из зоны разряда.
Для исследования был проведен ряд экспериментов на электроэрозионном станке 04ЭП10М. Электроэрозионная обработка осуществлялась с использованием транзисторного генератора коротких импульсов (а.с. №884923). В качестве электрода-инструмента использовалась омедненная вольфрамовая проволока. Эксперименты проводились на следующих режимах: глубина прошиваемого отверстия - 7 = 500 мкм; частота вибрации электрода-инструмента - 330 Гц; амплитуда вибрации электрода инструмента - 12 мкм, энергия импульса - 6,17; 9,25; 13,18 мкДж.
Эксперимент проводился следующим образом. Прошивка отверстия производилась тремя различными по диаметру электродами-инструментами - 20 мкм, 30 мкм и 50 мкм. Для каждого диаметра электрода-инструмента прошивалось п = 4 отверстия со следующими значениями частоты импульсов fx = 25 кГц, /2 =33 кГц, /з =50 кГц, /4 =100 кГц. При прошивке замерялось время прошивки / и измерялся износ электрода-инструмента Z. Обработав полученные данные по формулам (2.28), зависимостям (2.29) и (2.30) можно представить в графическом виде.
На рис. 3.11 представлены графики зависимости относительного линейного износа электрода-инструмента (%) от частоты импульса при = 9.25. мкДж.
Графики зависимости износа электрода-инструмента от частоты импульса, 1 - для электрода-инструмента диаметром 20 мкм; 2-30 мкм; 3 50 мкм (сплошные линии - экспериментальные, пунктирные теоретические) Полученные графики можно описать графоаналитическим методом с помощью математических функций в виде: где / - частота импульса, кГц; d - диаметр электрода инструмента, мкм. На рис. 3.11 представлены графики зависимости относительного линейного износа для трех диаметров электродов-инструментов. Максимальная погрешность при описании данных математическими функциями в интересующих нас точках не превышает 10%.
На рис. 3.12 представлен объемный график зависимости относительного линейного износа от диаметра электрода-инструмента и частоты импульсов.
Видно, что малый износ электрода-инструмента наблюдается при малой частоте импульса, и в этом диапазоне частот износ незначительно зависит от диаметра электрода. В диапазоне больших частот импульсов наблюдается резкое увеличение износа для малых диаметров электродов-инструментов, что говорит о необходимости оптимизации частоты импульса как одного из важных параметров процесса электроэрозионной обработки. На рис. 3.13 представлены графики производительности (мкм/сек) от частоты импульса. Рис. 3.13. Графики зависимости производительности от частоты импульса, 1 для электрода-инструмента диаметром 20 мкм; 2-30 мкм; 3-50 мкм (сплошные линии - экспериментальные, пунктирные - теоретические)
Семейство этих графиков для разных диаметров электродов-инструментов можно описать графоаналитическим методом математически в виде функции: Q(d,f) = (- 0,08 -d+32,76) 1-е /__ Л 0,П /-25,7 (3.15) где / - частота импульсов, кГц; d - диаметр электрода-инструмента, мкм. На рис. 3.13 представлены графики зависимости производительности от частоты импульса для трех диаметров электродов-инструментов. Максимальная погрешность при описании данных математическими функциями в интересующих нас точках не превышает 10%. На рис. 3.14 представлен объемный график зависимости производительности от диаметра электрода-инструмента и частоты импульсов.
Видно, что интенсивный рост производительности наблюдается в области малых частот импульса, что объясняется малым количеством образованных в межэлектродном промежутке эродированных частиц, эвакуация которых не вызывает затруднений.
Рис. 3.14. График зависимости производительности от диаметра электрода-инструмента и частоты импульсов
С увеличением частоты импульсов количество продуктов эрозии, образованных в единицу времени, увеличивается, самоэвакуация их из межэлектродного промежутка все более затрудняется, следствием чего является снижение темпов роста производительности.
По методике, рассмотренной в главе 3.3, разделим зависимости 3.9 и 3.10 на 3.14 и 3.15 соответственно и, подставив в них значения диаметра электрода-инструмента и действительной глубины, получим поправочные коэффициенты, зависящие от энергии импульса: -0045/ Kr =1,51 -1,51 -є KQ = 1,28 -1,28 .е--ыи. Тогда зависимости 3.9 и ЗЛО с поправочными коэффициентами будут выглядеть следующим образом:
Графики зависимости оперативной производительности от частоты импульсов и глубины прошиваемого отверстия, 1 - для электрода-инструмента диаметром 20 мкм; 2-30 мкм; 3-50 мкм На рис. 3.15 представлен объемный график зависимости оперативной производительности Qm = -- от частоты импульса и глубины прошиваемого on отверстия для трех диаметров электродов-инструментов. Из графика видно, что для определенного диаметра электрода инструмента и определенной глубины прошиваемого отверстия производительность увеличивается с увеличением частоты, но до определенного значения частоты производительность увеличивается резко, а затем незначительно. Следовательно, построив график оперативного времени для определенного диаметра электрода-инструмента и глубины прошиваемого отверстия можно определить оптимальную точку частоты генератора импульсов, после которой увеличение частоты будет нецелесообразно.
Похожие диссертации на Разработка технологии и оборудования для электроэрозионной прошивки капиллярных отверстий в атравматических иглах
