Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 9
1.1. Основные методы отрезки 9
1.2. Сущность электроконтактной резки 12
1.2.1. Физические особенности ЭКО и ЭКР 13
1.2.2. Технологические показатели ЭКР 18
1.3. Цель и задачи исследований 22
2. Математическое моделирование температурных полей при электроконтактной резке 24
2.1. Постановка задачи. Граничные условия 24
2.2. Метод решения задачи расчета температур заготовки при ЭКР 30
2.3. Экспериментальное исследование температур в заготовке при ЭКР 45
2.4. Выводы 51
3. Разработка высокопроизводительного процесса электроконтактной резки со струйной подачей жидкости 53
3.1. Выбор способа подачи жидкости при электроконтактной резке 54
3.2. Сущность процесса ЭКР со струйной подачей жидкости .. 64
3.3. Экспериментальное исследование параметров струйной подачи жидкости при электроконтактной резке металлов 67
3.3.1. Условия проведения экспериментов 67
3.3.2. Выбор параметров струи жидкости 70
3.4. Выводы 76
4. Исследование технологических режимов экр материалов со струйной подачей жидкости 77
4.1. Условия проведения экспериментов, оборудование и приборы 77
4.2. Зависимость энергетических параметров обработки от технологических режимов ЭКРС 86
4.3. Зависимость относительного износа и стойкости дисков-инструментов от технологических режимов ЭКРС 105
4.4. Исследование отклонения формы поверхностей заготовок после ЭКРС 117
4.4.1. Методика проведения экспериментов 117
4.4.2. Влияние технологических режимов ЭКРС на плоскостность обработанных торцев заготовок 121
4.5. Исследование параметров качества обработанных поверхностей заготовок после ЭКРС 126
4.5.1. Методика проведения исследований 126
4.5.2. Исследование структуры, микротвердости и остаточных напряжений поверхностного слоя заготовок 130
4.6. Выводы 137
5. Оптимизация режимов элжтроконтактной резки со струйной подачей жвдкости 141
5.1. Выбор критерия оптимизации режимов ЭКРС 141
5.2. Ограничения на режимы и показатели обработки при оптимизации ЭКРС 145
5.3. Метод и алгоритм решения задачи оптимизации режимов ЭКРС 149
5.4. Оптимизация режимов ЭКРС 159
5.5. Выводы 172
6. Промышенное использоваі-іие результатов исследований . 173
6.1. ЭКРС хромоник елевых коррозионно-стойких сталей 173
6.2. Расчет эконоьлической эффективности внедрения ЭКРС на ПО "Востокмашзавод" 174
6.3. Выводы 201
Общие выводы 203
Литература 205
Приложения
- Сущность электроконтактной резки
- Метод решения задачи расчета температур заготовки при ЭКР
- Сущность процесса ЭКР со струйной подачей жидкости
- Зависимость энергетических параметров обработки от технологических режимов ЭКРС
Введение к работе
Одной из основных задач, поставленных ХХУІ съездом КПСС, является определяющее развитие машиностроения и металлообработки, увеличение выпуска продукции не менее чем в 1,4 раза. В материалах "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" намечено быстрое освоение и внедрение в промышленность прогрессивных и высокоэффективных методов обработки материалов, в том числе и электрофизических.
Современные требования, связанные с необходимостью повышения работоспособности и надежности изделий, обусловливают все более широкое применение сталей и сплавов, обладающих специальными свойствами: высокой прочностью, жаростойкостью и коррозион-ностойкостью. Применение таких материалов позволяет значительно повысить надежность выпускаемых изделий, однако мехобработка деталей из этих материалов вызывает значительные трудности.
Одним из типов операций, требующих существенного повышения производительности обработки, являются заготовительные операции - разрезка проката, отрезка заготовок, прибылей, литниковых систем отливок и т.п. из труднообрабатываемых материалов. Заїдена на этих операциях лезвийной и абразивной резки электроконтактной позволяет увеличить производительность труда снизить расход обрабатываемого материала и полностью исключить использование инструментальных материалов.
Широкое внедрение и повышение эффективности электроконтактной резки сдерживается рядом причин, основными из которых являются: трудность резки заготовок больших сечений, низкое качество обработанных поверхностей, отсутствие единого критерия при выборе оптимальных режимов процесса, почти полное отсутствие в
литературе рекомендаций по назначению припуска под последующую обработку торцев. Необходимость разработки этих вопросов обусловливает актуальность данной работы.
Цель работы. Целью данной диссертационной работы является повышение производительности резки труднообрабатываемых материалов и качества поверхностей реза за счет разработки высокопроизводительного технологического процесса электроконтактной резки со струйной подачей жидкости в зону реза.
Методика исследований. Теоретические исследования выполнены на базе научных основ технологии машиностроения, теории резания и теплофизики, нелинейного программирования и вычислительной математики.
При проведении экспериментальных исследований применялась теория планирования многофакторного эксперимента, использовались современные контрольно-измерительные приборы и аппаратура. Теоретические расчеты и обработка экспериментальных данных проводились на ЭВМ ЕС-ЮЗЗ и микроЭБМ СМ-І800.
Научная новизна.
Разработан высокопроизводительный технологический процесс электроконтактной резки заготовок из труднообрабатываемых материалов со струйной подачей жидкости в зону реза.
Получены основные зависимости параметров электроконтактной резки материалов со струйной подачей жидкости от технологических режимов обработки.
Впервые разработана методика расчета температурных полей при электроконтактной резке материалов, позволяющая оценить глубину зоны распространения критических температур в приповерхностных слоях обрабатываемых торцев заготовок.
Экспериментально определены температуры поверхностных слоев заготовки при электроконтактной резке с помощью метода
закладных термопар.
5. Разработана методика оптимизации режимов электроконтактной резки заготовок по экономическому критерию, позволяющая учесть особенности процесса и ограничения, накладываемые на него.
Практическая ценность. Выполненные исследования являются частью исследований, проводимых отраслевой лабораторией технологии машиностроения при кафедре технологии конструкционных материалов ЛПИ им.М.И.Калинина, которые посвящены вопросам повышения производительности обработки труднообрабатываемых материалов. В работе разработан способ электроконтактной резки материалов со струйной подачей жидкости в зону реза, позволяющий увеличить производительность на 20-30% по сравнению с резкой по схеме полного погружения заготовки в жидкость, даны рекомендации по назначению припусков под последующую обработку с учетом неплоскостности, шероховатости и термически измененного слоя обработанных торцев заготовок.
Результаты работы могут быть использованы на предприятиях энергетического, химического машиностроения и судостроения.
Промышленная реализация. Результаты проведенных исследований внедрены в условиях ПО "Востокмашзавод" (г.Усть-Каменогорск). Техникоэкономический анализ показал высокую эффективность внедрения электроконтактной резки на черновых и заготовительных операциях при обработке жаропрочных и коррозионно-стойких материалов в условиях серийного и крупносерийного производства. Ожидаемый экономический эффект внедрения процесса составляет на ПО "Востокмашзавод" 45,0 тыс.рублей.
Апробация работы. Результаты работы и ее отдельные вопросы докладывались на научно-технических семинарах, проводимых в ]ЦЩй (декабрь 1982 г., октябрь 1983 г., г.Ленинград), на Дне
специалиста, проведенном ЯЛИ и ДЦНТП (октябрь 1982 г., г.Ленинград) , а также на научных семинарах кафедры технологии конструкционных материалов ЛЛИ им.М.И.Калинина.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 4 статьи.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы и приложении, изложенных на \к0 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунка, 7 таблиц, список литературы из \\2 наименований и 2-х приложений.
Настоящая работа выполнена при непосредственных научных консультациях доцента кафедры технологии конструкционных материалов, кандидата технических наук Л.А.Ушомирской.
Сущность электроконтактной резки
Одним из самых высокопроизводительных методов, известных в настоящее время, является электроконтактная резка (ЭКР), относящаяся к электроэрозионным методам. ЭКР превосходит вышеупомянутые методы по производительности, имея при этом наименьшую энергоемкость, лучшие санитарно-гигиенические условия труда и относительно небольшой износ дисков-инструментов (ДИ). Способ электроконтактной обработки оплавлением был предложен А.С.Давыдовым / 24,25/. Процесс отличается высокой производительностью - до 1000 см /мин, низкой энергоемкостью 3,5-10,5 Щд/кг, однако обработанная поверхность имеет значительную шероховатость ( Rz = 400 и выше) и глубину зоны термического влияния /26,27/.
Значительный вклад в развитие теоретических основ электроэрозионной обработки и электроконтактной обработки (ЭКО) внесли советские ученые: Б.Р.Лазаренко, В.Н.Гусев, Б.Н.Золотых, Г.Н.Мещеряков, А.А.Лившиц, Б.Я.Борисов и другие. Вопросами повышения качества поверхности после ЭКО занимались Б.М.Бихман, А.С.Давыдов, В.Р.Муравьев, Б.Я.Борисов, Л.А.Ушомирская, М.К.Русев, И.В.Рябов, Г.И.Тихонов, В.Б.Витлин и другие.
В настоящее время наибольшее применение ЭКО нашла при обработке наружных поверхностей деталей типа тел вращения, обдирке дефектного слоя литья, шлифовании, прошивке и разрезке. Несмотря на достаточно широкое применение в промышленности, воп 13 росы повышения производительности и качества обработки, в том числе и резки, остаются открытыми и требуют дальнейшей как теоретической, так и практическом разработки. Анализ литературных источников показал, что все работы, посвященные ЭКО и ЭКР, можно разбить на следующие группы, относящиеся к: - промышленному и практическому опыту обработки различных материалов; - исследованию технологических и электрических параметров с целью повышения производительности и качества; - созданию новых электродов-инструментов, станков и источников тока; - анализу физики процесса низковольтного электрического разряда в межэлектродном промежутке; - изучению параметров качества обработанных поверхностей и их взаимосвязи с режимами обработки.
Анализ литературных данных проводился в основном по технологическим и физическим особенностям ЭКО и ЭКР. Электроконтактная резка осуществляется за счет нагрева, расплавления, частичного испарения и удаления расплава нестационарными дуговыми разрядами, механически возбуждаемыми между дисковым или ленточным электродом-инструментом и заготовкой, которые подключены к низковольтному (напряжение до 60 Б) источнику переменного или выпрямленного тока. Б качестве рабочей среды используется воздух или диэлектрическая жидкость, обычно техническая вода /28/. Разряды, наблюдаемые при ЭКО, имеют несколько видов, обусловленных применением разных родов тока, разных сред, находящихся в различном агрегатном состоянии с активными компонентами или без них. Пошшо этого, на паршлетры разрядов влияет наличие расплавленного слоя металлов на обрабатываемой поверхности и интенсивность его удаления.
Существует несколько видов разрядов при электроконтактной обработке / 29,30 /: - контактные { Up I0...I2 В); - контактно-дуговые ( Up = 10...16 В); - дуговые ( UP 16...18 В). Увеличение напряжения холостого хода источника при ЭКР в воздухе до некоторой величины вызывает стационарный дуговой разряд, который выплавляет на обрабатываемой поверхности местное углубление (брак). При возникновении стационарного дугового разряда резко уменьшается динамичность выброса металла из межэлектродного зазора (МЭЗ). Критические режимы при резке некоторых металлов исследованы в работах /31,32/. Отмечено, что подача сжатого воздуха в прорезь исключает возможность возникновения стационарного разряда в глубине прорези и образование местного проплавлення.
Использование воздуха в качестве рабочей среды имеет ряд существенных недостатков, к которым относятся неудовлетворительные санитарно-гигиенические условия труда, значительная шероховатость обработанных поверхностей и глубина зоны термического влияния, низкий кпд процесса. Это связано прежде всего с тем, что при развитии электродугового разряда в воздушной среде сечение его канала значительно увеличивается, в результате чего падает удельная плотность энергии и увеличивается ее доля, идущая на перегрев поверхностных слоев обрабатываемой заготовки /29,33,37/. Наиболее перспективным является применение в качестве рабочей среды технической воды, которая обусловливает повышение эффективности электродуговых разрядов вследствие локализации тепловой энергии, интенсификацию охлаждения инструмента, практически полностью исключает световое излучение и шум /34-36/. Наиболее распространены способы ЭКО с орошением рабочей зоны жидкостью / 37,39-43/, которая локализует электродуговой разряд, способствует выбросу расплава из лунки /36/ за счет взры-вообразного испарения и протекания в связи с этим кавитационных явлений.
Явления локализации электродуговых разрядов в потоке рабочей диэлектрической жидкости использованы в способе электроконтактной прошивки отверстий неподвижным электродом-инструментом /44/. Сплошной поток жидкости через МЭЗ обеспечивается уплотнениями и прокачкой жидкости через полость трубчатого инструмента под давлением 0,1-0,5 Ша. Производительность прошивки может достигать 10 см3/мин и равна производительности сверления, поверхностный слой обработанных отверстий, подвергшийся закалке, тлеет глубршу 0,01-0,03 мм /45/. Таким образом, осуществление принудительной прокачки рабочей жидкости под давлением через МЭЗ способствует как интенсивному охлаждению обрабатываемых поверхностей, так и удалению продуктов эрозии из зоны обработки.
Метод решения задачи расчета температур заготовки при ЭКР
Для решения поставленной задачи был применен метод подвижных источников, разработанный акад.Н.Н.Рыкалиным / 8,79/ для описания температурных полей при сварке и проф.А.Н.Резниковым для решения задач теплофизики резания /80,81 /. Метод наложения источников предполагает получение решения линейного уравнения теплопроводности в рассматриваемой области, наложением на ее границы дополнительных или отражением относительно этих границ основных источников для выполнения заданных граничных условий. В случае принятой расчетной схемы рис!.2.2 метод отражения или простого наложения источников не применим в силу сложной геометрической формы границы рассматриваемой области. В связи с этим для получения решения задачи о распространении температур в заготовке при ЭКР был использован метод компенсирующих источников /82 /, который применяется в теории термоупругости, механики твердого тела и теплофизики. При этом методе решение задачи при заданных граничных условиях получается путем линейной комбинации нескольких решений, одно из которых называется основным и описывает рассматриваемый процесс в сплошном теле без границ, остальные - компенсирующие - служат для выполнения требуемых граничных условий.
В соответствии с /?8/, процесс распространения тепла в сплошном теле от линейного источника интенсивности (2 , движущегося в направлении, обратном оси X со скоростью 3 » при квазистационарном теплообмене описывается выражением (система координат связана с источником).
Из выражения (2.4) и (2.6) следует, что при принятых условиях задачи ои бесконечно велико. Однако, интеграл в (2.7) с достаточной точностью можно вычислять, заменив ии на конечное число, при котором подинтегральная функция близка к нулю. Проведенные оценки показали, что при замене Ъц+со на ьи = = (10 - 15)«В погрешность вычислений интеграла не превышает 0,2$.
Устойчивость дифференцирования обеспечивалась соответствующим подбором величины шага А X . На рис.2.5 приведены зависимости величины относительных интенсивностей компенсирующих источников CL и 0s на первых четырех шагах вычислений от относительных ординаты 2ц/3 и абциссы 2х/Ц для критерия Пекле Ре , составленному для ширины прорези, равном I. Как следует из рисунков, величины QOI/0L0 И Q si/Q,0 Рке на 4-ой итерации не превышает 0,1. На рис.2.6 приведены распределения относительных интенсивностей итоговых компенсирующих источников Q И О,S В зависимости от величины критерия Пекле Ро. = = 0,44-3,0. Как видно из рисунка, при увеличении Р& происходит некоторое увеличение величин О, и Q, , при этом длина Q по оси X несколько увеличивается.
Подставив в (2.17) уравнения (2,16) и (2.15) и обозначив выражение в квадратных скобках в (2.15) символом и , после преобразований получим выражение для определения температур в заготовке 0 при ЭКР с подачей жидкости в прорезь: 2агА - rJ6 e"2 Cx }K0iU№} (2.18)
Как следует из вида полученного выражения, распределение температур в заготовке при квазистационарном процессе определяется мощностью источника Q0 , скоростью его движения 5 (величиной критерия Пекле), величиной коэффициента теплоотдачи d. и расстоянием Ь . Следует отметить, что снижение температуры приповерхностных слоев заготовки тем больше, чем больше величина коэффициента теплоотдачи и меньше расстояние .
Сущность процесса ЭКР со струйной подачей жидкости
Электроконтактная резка материалов осуществляется за счет тепловых процессов, возникающих в результате прохождения выпрямленного электрического тока между перемещающимися друг относительно друга диском-инструментом и заготовкой при охлаждении зоны обработки технической водой. ЭКР на рабочих напряжениях свыше 22 В характеризуется протеканием дутового процесса с наличием дуг замыкания и размыкания и незначительным давлением ДИ на разрезаемую заготовку / 27,28 /. При сближении микронеровностей ДИ и заготовки, когда расстояние между ними становится достаточным для возникновения искрового разряда, возникает пробой межэлектродного промежутка с последующим развитием дугового разряда.
В условиях ЭКР неподвижных заготовок длина эрозионного промежутка значительно превосходит его ширину, несколько превышающую толщину используемого ДИ, что крайне затрудняет эвакуацию расплавленных и застывших частиц металла из прорези. Это обстоятельство приводит к тому, что продукты эрозии скапливаются вблизи кромки ДИ по всей длине зоны обработки, причем их количество на единицу длины зоны увеличивается к месту выхода ДИ из образующейся прорези. На этом участке электродуговые разряды возникают между инструментом и материалом заготовки в жидкой фазе / 5Q /, что обусловливает потери мощности на перегрев уже расплавленного металла. Вместе с тем, наличие продуктов обработки на этом участке вызывает возникновение определенного количества разрядов между торцами ДИ и обработанными поверхностями за счет замыкания боковых зазоров и увеличивает энергоемкость обработки.
При ЭКР с высокой производительностью количество продуктов эрозии резко возрастает, что приводит к образованию в зоне реза так называемой ванны расплавленного металла, через которую происходит замыкание эрозионного промежутка, нарушающее нормальное протекание процесса.
Применение технической воды в качестве рабочей среды при ЭКО позволяет повысить производительность обработки и качество обработанных поверхностей. Однако, схема погружения зоны обработки при ЭКР не обеспечивает интенсивного доступа жидкости к эрозионному промежутку, что ограничивает возможность повышения производительности и качества обработки, особенно для заготоюк больших сечений.
Направление высокоскоростной струи в зазоры между торцами ДИ и поверхностями реза заготовки (рис.3.3) значительно увеличивает количество поступающей в зону обработки жидкости. Последняя, попав в боковые зазоры, изменяет характер своего движения за счет сил трения на неподвижных обработанных поверхностях заготовки и боковых поверхностях вращающегося ДИ. Часть жидкости, смачивая нагретые до высоких температур поверхности реза, испаряется и обеспечивает тем самым интенсивный тепло-съем с заготовки. Если объем жидкости, поступающей в единицу времени через боковые зазоры, невелик, то весь он полностью испаряется до того, как достигнет эрозионного промежутка. Увеличение этого объема приводит к тому, что определенная часть жидкости попадает в зону электроэрозионного процесса, оказывая локализующее действие на дуговые разряды, способствуя диспергированию расплавленного металла и эвакуации продуктов обработки. Это приводит к снижению средней величины тока резки за счет уменьшения количества разрядов, вызываемых замыканием боковых зазоров и эрозионного промежутка, и позволяет увеличить производительность резки. Кроме того, увеличение глубины проникновения жидкости увеличивает площадь обработанных поверхностей, с которых производится теплосъем, и уменьшает глубину термически измененного поверхностного слоя.
Зависимость энергетических параметров обработки от технологических режимов ЭКРС
С целью определения диапазонов изменения режимов ЭКРС материалов были проведены предварительные эксперименты для изучения характера влияния технологических параметров обработки на энергетические показатели процесса. ЭКРС неподвижных заготовок из хромоникелевых коррозионно-стойких сталей диаметром Dj = 60-120 мм в диапазонах изменения напряжения холостого хода U/x = 32-37 В, подачи S = II5-I70 мм/мин, окружіїой скорости ДИ V = 15-25 м/с показала, что увеличение производительности и напряжения холостого хода источника приводит к снижению энергоемкости и увеличению кпд процесса, поэтому в дальнейших исследованиях были приняты следующие диапазоны режимов: U = 37-46 В, о = 170-400 мм/мин, V = = 15-35 м/с.
Для определения характера зависимости величины тока 1у от толщины ДИ Ъ были проведены предварительные эксперименты по ЭКРС стали I2XI8HI0T диаметром 60-100 мм в вышеуказанных диапазонах изменения напряжения холостого хода, подачи и окружной скорости ДИ. Измерения величины силы тока при резке ДИ толщиной В = I мм, 2 мм и 3,4 мм при различных сочетаниях Uxx » S и V показали (рис.4.5), что она линейно возрастает с увеличением толщины ДИ. При ЭКРС дисками толщиной В = I мм на подаче S 300 мм/мин и при напряжении холостого хода UXx 42 В наблюдались 1,5-2-кратные броски величины тока. Это обстоятельство связано с повышением радиального усилия в зоне обработки, приводящего к деформации диска в прорези и замыканию бокового зазора, то есть к неустойчивому протеканию процесса резки. Кроме этого, миллиметровые диски практически после 5-Ю резов теряли круглость, при этом величина их радиального биения составляла 5-15 мм, что также приводило к нестабильности процесса и механическим ударам кромки ДИ о заготовку. В связи с этим, применение ДИ толщиной менее 1,5 мм является нецелесообразным, и при проведении дальнейших исследований применялись диски-инструменты толщиной Ь = 2 мм и 3,4 мм 89
Анализ полученных регрессионных моделей показал, что снижение энергоемкости и повышение эффективности ЭКРС заготовок диаметром 60-120 мм из сталей типа I0XI8HI0T происходит при увеличении объемной производительности процесса, причем при заданной высоте сечения заготовки более желательным является увеличение скорости подачи, чем толщины ДИ.
По формулам (4.10) и (4.12) построены графики зависимости величины силы тока 1р(рис.4.6) и удельной энергоемкости & (рис.4.7) от величины мгновенной производительности Умдля различных напряжений холостого хода Uxx» из которых следует, что при увеличении QM с 0,2 до 1,6 см/с удельная энергоемкость обработки уменьшается с 21-26 до 8,5-7,5 ВДж/кг. Б указанном диапазоне производительности величина рабочего тока возрастает с 0,8-1 кА примерно до 6 кА при (JXx = 37 В и до 3 кА при Uxx = 46 Б. Увеличение окружной скорости ДИ V с 15 до 32 м/с во всем исследованном диапазоне цм и Uxx сопровождается снижением величины рабочего тока примерно на 0,25 кА, в то время как снижение удельной энергоемкости происходит только при величине мгновенной производительности менее 1,3 см/с, а при QM 1,3 см3/с увеличение скорости ДИ V в тех же пределах вызывает незначительное увеличение энергоемкости обработки.
Обозначения: V = 32 м/с; V = 16 м/с. С целью удобства применения полученных уравнений регрессии для определения технологических режимов ЭКРС заготовок из хро-моникелевых коррозионно-стойких сталей была построена номограмма рис.4.8. Приведенный на номограмме пример показывает, что резка заготовок диаметром Э = 90 мм ДИ толщиной В = 2 мм и 2,5 мм, осуществляемая при подаче 5 = 330 мм и 400 мм, напряжении холостого хода UXx = 40 В и 46 В и окружной скорости ДИ V = 32 м/с и 16 м/с соответственно, происходит при величине рабочего тока 3,3 кА. Являясь графическим изображением выражений (4.10) и (4,4), номограмма подтверждает целесообразность применения для ЭКРС напряжений холостого хода UXx= 44-46 В, скоростей подачи 5 порядка 330 мм/мин и выше и использования дисков-инструментов толщиной 1,5-2 мм.
Электроконтактная резка вращающихся заготовок диаметром Dj = 100-150 мм из сталей типа I0XI8HI0T с радиальной подачей (станок 0С2-ЭК0) осуществлялась на напряжении 42-44 В при окружной скорости ДИ 25-56 м/с и скорости вращения заготовок uL= = 13 об/мин. Применялись ДИ толщиной Е =1, 2,2 и 3,6 мм с АИП на торцевых поверхностях.
План эксперимента в нормированных величинах, условия нормировки факторов и результаты опытов для построения зависимостей величины тока, кпд и энергоемкости обработки от технологических режимов резки приведены в табл.2 приложения I.
