Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния вопроса пакетной резки материалов методом проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 11
1.1 Сущность процесса электроэрозионной обработки 11
1.2 Применение проволочно-вырезной электроэрозионной обработки в современном производстве 14
1.3 Понятие пакетной резки металла 19
1.4 Влияние параметров режима резания на процесс проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 22
1.5 Качество обработанной поверхности деталей после проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 27
1.5.1 Точность проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 27
1.5.2 Шероховатость обработанной поверхности заготовок после проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 30
1.5.2 Структура и свойства поверхностного слоя обработанной поверхности после ПВЭЭО 32
1.6 Анализ математических моделей по расчету показателей качества обработанной поверхности после проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 36
1.6.1 Анализ математических моделей расчета межэлектродного зазора 36
1.6.2 Анализ математических моделей расчета шероховатости обработанной поверхности в процессе проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 41
1.6.3 Анализ моделей процесса деформации электрода-инструмента в процессе проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 43
1.7 Выводы по главе. Постановка цели и задач исследования 48
ГЛАВА 2. Моделирование параметров качества поверхности заготовки при электроэрозионной обработке 52
2.1 Моделирование величины межэлектродного зазора и расчет величины коррекции траектории резания 52
2.2 Моделирование процесса формирования шероховатости поверхности в процессе проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 56
2.3 Моделирование прогиба электрода-проволоки в процессе проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 60
2.4 Выводы по главе 72
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование процесса проволочно-вырезной электроэрозионной обработки пакетированных заготовок 73
3.1 Методика проведения экспериментальных исследований 73
3.2 Материалы и оборудование для проведения экспериментальных исследований 78
3.3 Экспериментальная проверка математических моделей формирования параметров качества поверхности заготовки при ПВЭЭО 81
3.3.1 Экспериментальная проверка величины коррекции траектории резания 81
3.3.2 Экспериментальная проверка шероховатости обработанной поверхности 84
3.3.3 Экспериментальная проверка величины прогиба электрода-проволоки 85
3.4 Получение эмпирических уравнений взаимосвязи параметров качества обработанной поверхности с режимами ПВЭЭО 86
3.4.1 Получение эмпирических уравнений взаимосвязи параметров шероховатости обработанной поверхности с режимами проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 87
3.4.2 Анализ эмпирического уравнения взаимосвязи параметров шероховатости обработанной поверхности с режимами проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 89
3.4.3 Получение эмпирических уравнений взаимосвязи погрешности от прогиба электрода-инструмента с режимами проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 92
3.4.4 Анализ эмпирического уравнения взаимосвязи погрешности формы обработанной поверхности с режимами проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 94
3.4.5 Получение эмпирических уравнений взаимосвязи величины коррекции траектории резания с режимами проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 96
3.4.6 Анализ эмпирического уравнения взаимосвязи величины коррекции с режимами проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 98
3.5 Выводы по главе 100
ГЛАВА 4. Разработка оптимизированной технологии ээо деталей асинхронного погружного электродвигателя собранных в пакет 101
4.1 Влияние технологических условий обработки на стабильность процесса проволочно-вырезной электроэрозионной обработки 103
4.3 Исследование поверхности заготовки после обработки на проволочно-вырезном электроэрозионном станке 112
4.3.1. Металлографический анализ поверхности стали 65Г после электроэрозионной обработки 115
4.3.2. Электронно-микроскопический анализ поверхности стали 65Г после электроэрозионной обработки 119
4.3.3. Дюрометрический анализ поверхности стали 65Г после электроэрозионной обработки 121
4.4 Разработка управляющей программы для изготовления детали «Крайний лист статора» на проволочно-вырезном электроэрозионном станке 123
Основные выводы и результаты 125
Список литературы 127
- Точность проволочно-вырезной электроэрозионной обработки
- Моделирование процесса формирования шероховатости поверхности в процессе проволочно-вырезной электроэрозионной обработки
- Получение эмпирических уравнений взаимосвязи параметров шероховатости обработанной поверхности с режимами проволочно-вырезной электроэрозионной обработки
- Исследование поверхности заготовки после обработки на проволочно-вырезном электроэрозионном станке
Введение к работе
Актуальность темы. Приоритетной задачей машиностроения является постоянное повышение показателей параметров качества и надежности выпускаемой продукции. Конкурентная борьба заставляет предприятия создавать высокотехнологичную продукцию, превосходящую по своим техническим характеристикам существующие аналоги.
Из общего числа типоразмеров деталей, изготавливаемых в машиностроительном производстве, значительная доля приходится на плоские детали сложной формы. Номенклатура таких деталей достаточно велика и составляет примерно тридцать процентов от всей доли выпускаемых деталей по всему миру.Для повышения надежности выпускаемой продукции конструкторами применяются современные материалы с высокими физико-механическими характеристиками. Применение данных материалов позволяет повысить эксплуатационные характеристики выпускаемых изделий, что, в свою очередь, позволяет создавать более функциональные механизмы, обладающие малыми габаритами при более высоких функциональных возможностях.
Несмотря на преимущества использования высокотвердых материалов в машиностроении, их обработка на лезвийных металлообрабатывающих станках зачастую является затруднительной, а в сочетании со сложной геометрией обрабатываемого профиля невозможной.
Широкое применение в машиностроениинашли методы электрофизического, электрохимического и физико-химического воздействия. При обработке плоских деталей сложного профиля с высокой точностью незаменимой является технология проволочно-вырезной электроэрозионной обработки (ПВЭЭО).ПВЭЭО позволяет получать заготовки и детали любого профиля, независимо от их прочностных характеристик, без применения дополнительной оснастки. Кроме того,данная технология может быть применена для одновременной обработки нескольких листовых заготовок, собранных в пакет. Таким образом, за один технологический рез удается получить несколько годных деталей. В результате повышается производительность и снижается себестоимость обработки.
При сборке пакета неизбежным является наличие межслойного зазора между заготовками. Расстояние между заготовками заполнено воздухом, поэтому увеличение межслойного зазора ведет к неравномерному распределению энергии импульса, что вызывает нестабильность процесса ПВЭЭО. С увеличением количества заготовок, собранных в пакет, растет суммарное влияние межслойного зазора на стабильность процесса ПВЭЭО. В связи с тем, что электрод-инструмент обладает малой жесткостью, в результате неправильно подобранного межслойного зазора и некорректно назначенных режимовобработки может произойти его деформация и обрыв. Частые обрывы электрода-проволоки ведут к снижению качества обработанной поверхности и повышают время обработки. Таким образом, качество обработанной детали зависит от правильно подобранных режимов процесса ПВЭЭО и конструктивных особенностей собранного пакета.
Основными показателями качества обработанной поверхности после ПВЭЭО являются шероховатость обработанной поверхности, точность линейных размеров, точность формы обработанной поверхности и структурные изменения поверхностного слоя.
Проведенный анализ работ показал, что для определения режимов ПВЭЭО, обеспечивающих заданные показатели качества, на предприятиях применяется методика пробных резов. Применение данной методики существенным образом увеличивает время изготовления новой детали. В настоящее время отсутствуютмодели, позволяющие подобрать режимыобработкидля процесса ПВЭЭО пакетированных заготовок, обеспечивающие заданные показатели точности.
Решение вопросов, связанных с изучением процесса ПВЭЭО пакетированных деталей и разработкой моделей, позволяющих без применения методики пробных резов подбирать режимы обработки и прогнозировать показатели качества обработанных заготовок, является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы.Повышение эффективности (по производительности и качеству получаемой поверхности) технологии проволочно-вырезной электроэрозионной обработки пакетированных заготовок путем теоретического и экспериментального исследования процесса электроэрозионной обработки и последующей разработки моделей, позволяющих рассчитать показатели качества обработанной поверхности.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
1. Произвести исследование процесса ПВЭЭО пакетированных заготовок с цельювыявления основных показателей качества обработанной поверхности.Определить влияние режимов процесса ПВЭЭО, конструктивных особенностей пакета и физико-механических свойств обрабатываемого материала на формирование показателей качества обработанной поверхности.
2. Разработать моделидля расчета шероховатости обработанной поверхности, величины прогиба проволокии величины межэлектродного зазора при ПВЭЭО пакетированных заготовок, позволяющих прогнозировать качество обработанной поверхности, в зависимости от параметров обработки (скважность импульсов, высота собранного пакета, физико-механические свойства обрабатываемого материала).
3. Рассчитать величину коррекции траектории движения проволоки, которую необходимо вносить в управляющую программу для обеспечения заданной точности обработки.
4. Получить эмпирические уравнения взаимосвязи шероховатости обработанной поверхности, точности обработки и прогиба электрода с режимами обработки (скважность импульсов, высота собранного пакета, свойства материала) при обработке материалов с разными физико-механическими свойствами (сталь 65Г и титан ВТ5) с целью прогнозирования поведения процесса ПВЭЭО.
5. Экспериментально исследовать влияние межслойного зазора и режимов обработки на возникновение обрыва электрода-проволоки в процессе ПВЭЭО пакетированных заготовок с целью определения диапазона параметров, при котором обеспечивается стабильность процесса обработки.
6. Экспериментально исследовать влияние режимов резания на изменения в поверхностном слое обрабатываемых заготовок (изменение структуры поверхностного слоя и микротвердости).
7. Разработать технологические рекомендациидля процесса электроэрозионной проволочно-вырезной обработки пакетированных заготовок на примере детали «Крайний лист статора»,которые позволяют обеспечивать стабильный процесс резания при заданных показателях качества обработанной поверхности (шероховатость, точность линейных размеров, точность формы обработанной поверхности и изменения в структуре поверхностного слоя).
Методы исследования.Теоретические исследования проводились на базе научных основ технологии машиностроения, теории электроэрозионной обработки, теории математического моделирования процессов электроэрозионного формообразования, методов математической физики и статистики.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на современном оборудовании с применением проволочно-вырезных электроэрозионных станков, современной контрольно-измерительной аппаратуры, оснащённой ЭВМ.
Корректность разработанных математических моделей и их адекватность подтверждаются использованием известных теоретических положений, а достоверность полученных теоретических результатов – сходимостью с экспериментальными данными.
Научная новизна работы.
1. Полученамодель формирования величины межэлектродного зазора в процессе проволочно-вырезной электроэрозионной обработки пакетированных заготовок, позволяющая рассчитать величину коррекции траектории движения электрода-инструмента без применения методики пробных резов, что позволяет повысить производительность процесса обработки.
2. Полученамодель формирования шероховатости обработанной поверхности пакетированных заготовок при проволочно-вырезной электроэрозионной резке, позволяющая без применения пробных резов рассчитать величину шероховатости обработанной поверхности при установленных параметрах обработки (высота собранного пакета, физико-механические свойства обрабатываемого материала, скважность импульсов), в результате чего достигаетсяснижение времени изготовления деталей.
3. Получены эмпирические зависимости,доказывающие, что на качество обработанной поверхности после проволочно-вырезной электроэрозионной обработки влияют высота обработки, скважность импульсов и физико-механические свойства обрабатываемого материала.
4.Экспериментально определено, что в процессе проволочно-вырезной электроэрозионной обработки стали 65Г, с увеличением силы тока на обработанной поверхности происходит увеличение толщины белого слоя, при этом микротвердость слоя не изменяется.
5.Доказано, что при величине межслойного зазора между заготовками, не превышающем 0,1 мм, наблюдается стабильная (без возникновения обрывов электрода-проволоки) резка стальных заготовок (сталь 65Г),собранных в пакет.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
1. Выявлены технологические факторы,влияющие на стабильность процесса ПВЭЭО заготовок, собранных в пакет, на основании которых разрабатываются практические рекомендации по назначению оптимальных режимов резания.
2. Разработаны модели, позволяющие подобрать режимы резания для обеспечения заданных параметров качества ПВЭЭО заготовок, собранных в пакет (доказана достаточно высокая точность совпадения результатов теоретических и экспериментальных исследований).
3. Разработана методика подбора режимов резания для изготовления детали «Крайний лист статора», обеспечивающая заданные показатели качества обработанной детали.
Разработанные на основе проведенных исследований рекомендации и математические модели предложены для внедрения и приняты в виде типовой технологии при обработке пакетированных заготовок в ЗАО «Новомет-Пермь».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 9 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе международных («Молодые ученые Прикамья – 2011», «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании – 2013», «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития– 2013»), ежегодных конференция ПНИПУ (Пермь 2010–2013).
Диссертация заслушана и одобрена на совместном заседании кафедр «Материалы, технологии и конструирование машин» и «Металлорежущие станки и инструменты» Пермского национального исследовательского политехнического университета в 2013 году, а также на заседании кафедры «Производство машин и механизмов» Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова в 2014 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано17печатных работ, в том числе 11 статей в изданиях по списку ВАК.
Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 122 наименований и приложений. Объем работы 140 страниц машинописного текста, включая 41 рисунок, 24 таблицы.
Точность проволочно-вырезной электроэрозионной обработки
В соответствии с общепринятым подходом, оценка точности ЭЭО расчетно-аналитическим методом предполагает решение двух основных задач. Первая из них связана с анализом первичных погрешностей и включает в себя выявление причин, вызывающих их появление. Задача предполагает рассмотрение систематических и случайных погрешностей с последующим нахождением расчетных выражений для них. Вторая задача направлена на синтез полученных данных с целью получения расчетного выражения для определения суммарной погрешности обработки. Величина суммарной погрешности служит количественной мерой при оценке точности формообразования. Наряду с этим, широко используется опытно-статистический метод оценки точности, основанный на обобщении накопленных опытных данных [32].
В соответствии с анализом, приведенным в работе [23], суммарная погрешность при ЭЭО может быть представлена, как функция погрешностей обработки по формуле: где д - погрешность, вызванная упругими деформациями технологической системы (м); у - погрешность установки заготовки на столе станка или в приспособлении (м); н - погрешность, обусловленная неточной наладкой инструмента (м); в - погрешность, обусловленная вибрацией ЭИ (м); с - погрешность, обусловленная геометрической неточностью станка (м); и -погрешность, вызванная неточностью изготовления-инструмента (м); а - по грешность величины межэлектродного зазора (м); изн - погрешность, вызванная износом ЭИ (м); Т - погрешность, связанная с температурными деформациями элементов технологической системы (м); кор - погрешность, определяемая короблением заготовки из-за перераспределения остаточных напряжений (м).
Анализируя формулу (1.6), погрешности можно разделить на две группы: погрешности, присущие всем станочным операциям, независимо от метода обработки, и погрешности специфические, отражающие особенности ЭЭО как метода формообразования. При изучении процесса ЭЭО целесообразнее всего рассматривать более подробно погрешности второй группы.
При рассмотрении процесса проволочно-вырезной электроэрозионной обработки наибольшее влияние на показатели качества обработки деталей машин и механизмов оказывают погрешность, возникающая от вибрации ЭИ, а так же погрешность величины межэлектродного зазора [3,4,8,13,34,35,37-55].
Как говорилось ранее, в качестве электрода-инструмента в процессе ПВЭЭО используется проволока. Так как проволока обладает малой жесткостью, в процессе резания под действием внешних сил происходит ее вибрация, в результате чего возникает погрешность в. Вибрация электрода-инструмента приводит к возникновению погрешности обработанного профиля, в частности отклонение от плоскостности обработанной поверхности [3, 34, 37-55].
Причины возникновения погрешности в не изучены в полной мере. В ряде случаев возникновение погрешности связывают с воздействием на инструмент в процессе резания паров рабочей жидкости, образовавшихся в плазменном канале, а так же воздействие электростатических и электродинамических сил, возникающих в канале пробоя [3,35-55].
В зависимости от неоднородности структуры ЭИ и ЭД, изменения свойств РЖ и режима обработки возникает погрешность а. Установлено, что межэлектродный зазор не остается постоянным при обработке партии заготовок даже на одном режиме. Объем металла, удаленный с электрода, и размеры лунок, образующихся на поверхности ЭИ и ЭД, зависят от их теплофизических характеристик, свойств РЖ и условий ведения процесса. Поэтому при обработке заготовки с неоднородной структурой каждый импульс тока будет образовывать на ее поверхности лунки различных размеров [3,8,34,37-40].
Как правило, расчет погрешности МЭЗ дает лишь примерные величины возможной погрешности обработки. На практике наиболее часто погрешность обработки на заданном оборудовании определяют путем статистического анализа данных об отклонении заданных размеров, полученных после обработки партии типовых деталей.
Погрешность, возникающая от износа электрода-инструмента изн, зависит от эрозионной стойкости материала электрода-инструмента, а так же от режимов резания. Влияние на точность проволочно-вырезной электроэрозионной обработки износ ЭИ оказывает незначительное, так как в процессе резания электрод-проволока постоянно сматывается.
Погрешность Т, вызываемая нагревом рабочей жидкости и элементов технологической системы, оказывает влияние на точность и стабильность процесса резания. В современных электроэрозионных станках применяются системы охлаждения, обеспечивающие постоянную температуру рабочей жидкости.
В настоящее время для обеспечения точности ПВЭЭО заготовок применяется методика пробного реза. Суть методики заключается в отработке режимов резания на опытной заготовке с целью вычисления величины коррекции, необходимой для внесения в управляющую программу.
Моделирование процесса формирования шероховатости поверхности в процессе проволочно-вырезной электроэрозионной обработки
В настоящее время не существует единых моделей, позволяющих с должной точностью описать процессы, протекающие в межэлектродном промежутке при проволочно-вырезной электроэрозионной обработке. Большинство полученных закономерностей основывается исключительно на экспериментальных данных.
Как было отмечено в главе 1, обработанная поверхность, полученная после ЭЭО, получается путем наложения друг на друга большого количества единичных лунок.
Согласно представлениям о формировании неровностей профиля обработанной поверхности, геометрически шероховатость формируется при сочетании геометрии режущей части инструмента и подачи [108-111]. В процессе ЭЭО обработка материала происходит при помощи импульса тока, оставляющего на поверхности заготовки единичную лунку. Окончательная форма микрорельефа представляет собой наложение лунок друг на друга. Параметр шероховатости Ra определяется по формуле [13,108-111]: где l – базовая длина для определения шероховатости поверхности (м); у – отклонение профиля от линии (м).
В процессе проволочно-вырезной электроэрозионной обработки электрод-инструмент закреплен вертикально относительно электрода-детали и движется в направлении подачи со скоростью Qл (м/с) (рис.2.2). Рис.2.2 Схема формирования шероховатости поверхности.
Так как электрод-проволока в сечении имеет малый диаметр (от 0,3 до 0,03 мм), он подвержен интенсивному износу. В результате износа электрода шероховатость обработанной поверхности будет формироваться неравномерно. Очевидно, что детали, расположенные в верхней части пакета, должны обладать более низкой шероховатостью, в отличие от деталей, расположенных ближе к нижним фильерам. Однако в связи с тем, что электрод-проволока в процессе обработки постоянно сматывается с определенной скоростью Vпров (м/мин), влияние износа ЭИ на величину шероховатости становиться незначительным.
Основной целью моделирования является получение уравнения, устанавливающего зависимость между влиянием режимов электроэрозионной обработки, высоты собранного пакета и материала заготовки на величину шероховатости обработанной поверхности.
При расчете величины шероховатости обработанной поверхности будет использоваться тепловая модель, предложенная в п.2.1 и методика, предложенная в работе [13], заключающаяся в том, что энергия одного рабочего импульса (2.5), с учетом коэффициента полезного использования импульса (2.6), равняется тепловой энергии (2.8), которую необходимо сообщить массе материала для его нагрева, плавления и испарения с поверхности заготовки. Таким образом:
Масса удаленного материала может быть выражена как произведение объема удаленного металла на его плотность: где V - объем удаленного материала (м3); - плотность материала (кг/м3).
Подставляя выражение (2.14) в выражение (2.13) определяется величина объема удаленного материала за один рабочий импульс: Установлено [13], что форма единичной лунки близка к сферической, следовательно, ее объем, соответствующий объему удаленного металла, может быть определен как объем шарового сегмента: V = -(n-hl-(3-R-hn)), (2.16) где R - радиус произвольной сферы (м); /іл - глубина единичной лунки (м). Связь радиуса произвольной сферы с величиной коэффициента перекрытия и глубиной лунки представлена в работе [13]. Пользуясь данной методикой и условившись, что размеры образовавшихся лунок одинаковы, получаем:
(Сделав допущения о том, что в процессе обработки износ проволоки компенсируется скоростью ее перемотки, размеры лунок одинаковы и коэффициент перекрытия имеет постоянное значение равное = 1.2, следовательно, можно утверждать, что теоретический профиль микронеровностей остается неизменным на базовой длине. Таким образом, выражение (2.13) может быть записано:
Исходя из допущений о постоянстве размеров лунок, их количество n на длине S может быть определено как отношение M/dn (рис.1.11). Доказано [13], что диаметр лунки связан с глубиной hл выражением: Единичная лунка является шаровым сегментом, следовательно, его площадь может быть рассчитана [112]: Подставив выражение (2.20) в (2.21) можно рассчитать величину шероховатости обработанной поверхности на заданной длине: Анализируя выражение (2.22) видно, что шероховатость поверхности напрямую зависит от режимов обработки. При увеличении времени действия импульса и силы тока увеличится шероховатость обработанной поверхности. Увеличение величины межслойного зазора и количества заготовок в пакете ведет к потерям полезной энергии импульса. Снижение энергии импульса ведет к снижению величины шероховатости обработанной поверхности. Однако наличие межслойного зазора между заготовками снижает стабильность процесса ПВЭЭО и может являться причиной возникновения обрыва электрода-проволоки. Данная модель позволяет рассчитать величину шероховатости при обработке заготовки на проволочно-вырезном электроэрозионном станке.
Получение эмпирических уравнений взаимосвязи параметров шероховатости обработанной поверхности с режимами проволочно-вырезной электроэрозионной обработки
Для оценки влияния скважности импульсов на величину шероховатости обработанной поверхности зададим постоянные значения высоты обрабатываемой заготовки H = 0,06 (м) и коэффициент теплопроводности Стали 65Г = 41(Вт/мК) [105-107]. Диапазон варьирования значения скважности при обработке заготовки на проволочно-вырезном электроэрозионном станке EcoCut: qmax = 3,86, qmin = ЗД . Построение графика зависимости параметра шероховатости обработанной поверхности от теплопроводности обрабатываемого материала осуществляется при постоянных значениях высоты собранного пакета H = 0,06 (м) и скважности импульсов qmax = 3,86. Диапазон варьирования значением теплопроводности задан от 21 Вт/мК, титан марки ВТ5, до 41 Вт/мК, сталь 65 Г [106-107]. В принятый диапазон попадают стали следующих марок: сталь коррозионностойкая жаропрочная 08Х17Т (25 Вт/мК), низколегированная сталь 12Х5СМА (30 Вт/мК), легированная сталь 35ХН3 (35 Вт/мК) [106-107]. Построение графика зависимости значения шероховатости обработанной поверхности от высоты собранного пакета осуществлялось при постоянных значениях коэффициента теплопроводности 41 Вт/мК, соответствующий стали марки 65 Г по ГОСТ 14959-70, и с постоянной скважности импульсов qmax = 3,86. Диапазон варьирования значения высоты пакета задан от 0,12 м до 0,012 м.
Из анализа графиков следует, что шероховатость поверхности обратно пропорциональна скважности импульсов. Увеличение времени действия импульсов ton и уменьшение времени выключения импульсов toff приводит к снижению скважности и, следовательно, увеличению значения шероховатости обработанной поверхности. Для значения скважности 3,3 шероховатость поверхности составляет 3 мкм, при увеличении скважности до значения 3,8 величина шероховатости снижается до значения 2,7 мкм. Из проведенных экспериментов установлено, что процесс резания с минимальной скважностью импульсов характеризуется повышенной производительностью и повышенным износом электрода-инструмента. Согласно полученной зависимости, при обработке пакета из 30 заготовок (толщина одной заготовки 2 мм) из марки 65 Г по ГОСТ14959-70 высотой 0,06 м на проволочно-вырезном станке EcoCut для получения шероховатости Ra = 3,2 мкм необходимо задать режимы обработки ton = 21 мкс, toff = 46 мкс.
Из графика видно, что при обработке материалов с низким коэффициентом теплопроводности шероховатость обрабатываемой поверхности меньше, чем при обработке материалов с более высоким коэффициентом теплопроводности. Данная закономерность связана с физической сущностью процесса электроэрозионной обработки. Так как в процессе резания выделяется большое количество тепловой энергии, ее распределение будет зависеть от физических свойств обрабатываемого материала. При резке заготовок с низким коэффициентом теплопроводности повышается локализация тепловой энергии в зоне обработки. Таким образом, происходит более равномерное снятие материала и формирование единичной лунки. Из анализа графиков следует, что при увеличении теплопроводности от значения 21 Вт/мК до 41 Вт/мК происходит незначительное изменение шероховатости (0,4 мкм).
Из графика следует, что при увеличении высоты собранного пакета увеличивается шероховатость обработанной поверхности. При увеличении высоты собранного пакета с 12 мм до 120 мм шероховатость увеличивается в 1,2 раза. Характер увеличения незначительный. Объяснением изменения шероховатости может стать неравномерность распределения межэлектродного зазора в процессе резания, в связи с образованием электроэрозионного шлама в канале пробоя. Чем больше площадь обработки, тем больше вероятность скопления продуктов эрозии в канале, в результате чего возникают дополнительные искровые разряды между электродом инструментом и металлическими частицами уже удаленного материала. Дополнительные искровые разряды способствуют неравномерному формированию шероховатости обрабатываемой поверхности.
Исследование поверхности заготовки после обработки на проволочно-вырезном электроэрозионном станке
Целью исследования является определение зависимости между режимами обработки и изменениями в поверхностном слое обработанной заготовки.
В качестве экспериментального оборудования выбран ПВЭЭ станок поливного типа EcoCut. Технические характеристики использовавшегося станка, вид электрода проволоки и рабочей жидкости представлены в главе 3. Экспериментальный образец аналогичен образцу, описанному в главе 4.
Обработку проводили в соответствии с режимами, приведенными в табл.4.3.
Образец из стали 65Г устанавливался в зажимы станка и, поочередно меняя режимы электроэрозионной обработки, вырезался образец ступенчатой формы так, как показано на рис.4.8.
Белый слой, образованный в результате электроэрозионной обработки, изучали методом металлографического анализа. Металлографический анализ проводили с использованием светового микроскопа Olympus GX 51 при увеличениях до 1000 крат на травленных микрошлифах.
Микрошлифы изготавливали в несколько этапов: предварительно образцы заливали в бакелит, далее на абразивных шкурках Р240, Р320, Р600, Р1200, Р2000 последовательно сошлифовывали поверхностный слой до момента удаления следов от предыдущей шкурки со сменой направления шлифования на 90. Полировку поверхности образца производили на полировочном круге с использованием сукна и алмазной пасты. После полирования образец промывали водой, обезжиривали тампоном, смоченном в спирте, и сушили фильтровальной бумагой.
Полированную поверхность образца подвергали травлению 4%-м раствором азотной кислоты в этиловом спирте. В результате взаимодействия поверхности металла с реактивом происходит избирательное растворение участков из-за их различия в физико-химических свойствах. Сильнее всего травятся наиболее дефектные участки – межзеренные и межфазные границы. В результате, на поверхности микрошлифа образуется микрорельеф. Если рассматривать микрошлиф в микроскоп, то сильно растворившиеся участки представляются темными, а не растворившиеся светлыми.
На полученных изображениях поверхности исследуемого материала измеряли среднюю глубину белого слоя (рис.4.9), для этого произвольно размещали несколько отрезков длиной L на поперечное сечение слоя и подсчитывали глубину слоя в данной точке (l) . Среднюю толщину белого слоя определяли по формуле: lср= (l1+l2+…+ln)/n, где: l – глубина слоя, мм; n – число измерений. Замер проводили не менее, чем в пяти наиболее типичных полях зрения на каждом изображении, в общем случае не менее 30 раз.
Далее определяли среднюю частоту расположения лунок (пробоев) (рис.4.9), для этого размещали отрезок длиной L по длине белого слоя и подсчитывали число пробоев (N). Среднюю частоту пробоев подсчитывали по формуле: Nср=((N/L)1+(N/L)2+…+(N/L)n)/n, где n– число измерений.
Дюрометрический анализ проводили с использованием микротвердомера DuraScan70 по методу восстановленного отпечатка вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды с квадратным основанием при нагрузке 25 г с шагом 35 мкм (рис.4.10).
Образцы предварительно заливали в бакелит и готовили микрошлиф.
Исследование химического состава поверхностного слоя определяли на растровом микроскопе РЭМ-100У с приставкой ВДАР-1. Исследование распределения химических элементов в слое проводили на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss EVO50 при увеличениях до х15000 и ускоряющем напряжении 30 кВ. Карты распределения химических элементов в поверхностном слое строили для цинка, меди, железа, хрома, кислорода. Экспериментальные данные обрабатывали с использованием современных пакетов прикладных программ.
Металлографический анализ поверхности образцов стали 65Г после полной закалки и среднего отпуска, обработанных на максимальном (рис.4.11а), среднем (рис.4.11б) и минимальном режимах (рис.4.11в) на электроэрозионном станке Ecocut, проводили на световом микроскопе Olympus GX 51 при увеличениях до 1000 крат. Оценку глубины слоя и частоты пробоев проводили на образцах размером 20х20 мм.
Данные по зависимости частоты расположения пробоев и глубины слоя от режима обработки приведены в табл.4.8. По результатам эксперимента построены графики зависимостей частоты расположения пробоев в поверхностном слое и глубины слоя от режима обработки (рис.4.12).
Поверхностный слой стали 65Г после электроэрозионной обработки с максимальным режимом (рис.4.11а) качественно и количественно отличается от поверхностного слоя после обработки с минимальным режимом (рис.4.11б). тем, что в первом случае белый слой более глубокий (табл.4.4) и на поверхности наблюдаются рыхлые наросты. Такой слой покрывает всю поверхность, а пробои и нарушения сплошности практически не наблюдаются. В случае минимального режима белый слой имеет частые пробои по глубине, превышающие слой, а сам белый слой выглядит равномерным по толщине без выраженных рыхлых наростов.
