Національний технічний університет України

Київський політехнічний інститут

УДК 621.9.048.4

Чумаченко Ольга Сергіївна

РОЗМІРНА ОБРОБКА ЕЛЕКТРИЧНОЮ ДУГОЮ

ЛИСТОВИХ ДЕТАЛЕЙ

Спеціальність 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2002 р.

Дисертація є рукописом

Роботу виконано на кафедрі обробки металів тиском та ливарного виробництва Кіровоградського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник :

заслужений винахідник України, доктор технічних наук, професор Носуленко Віктор Іванович, Кіровоградський державний

технічний університет, завідувач кафедри обробки металів тиском

та ливарного виробництва

Офіційні опоненти :

доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України, Ляшенко Борис Артемович, Інститут проблем міцності НАН України, завідувач відділом № 17

кандидат технічних наук Романенко Віктор Васильович,

доцент кафедри лазерної технології, конструювання машин

та матеріалознавства НТУУ “Київський політехнічний інститут

Провідна установа :

Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України,

відділ процесів плавки та рафінування сплавів

Захист відбудеться 17.06.2002 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 26.002.15 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут”, 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37; корп. №19, ауд. 417; тел. 241-76-55.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці НТУУ “КПІ”

Автореферат розіслано 15.05.2002 р.

Відгуки на автореферат дисертації в двох примірниках, завірені гербовою печаткою, прохання надсилати на адресу НТУУ “КПІ”, ученому секретарю

Учений секретар

спеціалізованої вченої Ради

д. т. н., проф. Л. Ф. Головко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Листові деталі в машинобудуванні складають близько

70 %. Їх отримують із застосуванням розділових операцій. В умовах масового і серійного виробництва розділові операції виконують штампуванням, при індивідуальному виробництві - механічною обробкою. В умовах серійного виробництва штампування не завжди ефективне, оскільки не компенсується вартість штампа, а механічна обробка малопродуктивна. Тому помітного поширення набули плазмове та лазерне різання.

Проте, плазмове і лазерне різання не дозволяють ефективно обробити фасонні деталі та отвори габаритом до 100 мм, зокрема товстолистові, внаслідок технологічних обмежень по якості та продуктивності. За таких умов високоефективною альтернативою зазначеним традиційним способам виконання розділових операцій листових деталей стає запропонований Носуленко В. І. 1968 р. і розроблений під його керівництвом в Кіровоградському державному технічному університеті спосіб розмірної обробки електричною дугою (РОД), який є різновидом електроерозійної обробки (ЕЕО), але відрізняється від відомих процесів застосуванням стаціонарного електричного дугового розряду, забезпечуючи при цьому значно більш високу продуктивність (в 5…10 разів і більше).

Суттєвими перевагами способу РОД порівняно зі штампуванням та механічною обробкою є використання електроенергії в зоні обробки безпосередньо, без перетворення її в силову, внаслідок чого зникають двигун і відповідні ланки кінематичного ланцюга верстата, сам він значно спрощується та здешевлюється, а процес стає більш мобільним; продуктивність обробки змінюється простим регулюванням струму обробки; обробка здійснюється без помітних механічних зусиль на інструмент та без силової дії на заготовку; електрод-інструмент (ЕІ) для РОД помітно простіший та дешевший, ніж інструменти, які застосовуються при традиційних способах металообробки (різець, свердло, протяжка, штамп); не потрібно застосовувати спеціальні інструменти, більш тверді, ніж метал, що обробляється; продуктивність обробки не залежить від твердості та в'язкості металу, який обробляється, що важливо в умовах зростаючого застосування важкооброблюваних матеріалів.

Спосіб РОД має широкі можливості реалізації різноманітних технологічних схем формоутворення як непрофільованим, так і, особливо, профільованим ЕІ, зокрема, копіювання форми ЕІ на поверхні заготовки при простому поступальному русі електрода, що дозволяє отримати, аналогічно процесу штампування, різноманітні отвори, порожнини, стержні та інші вироби складної форми.

Тому розробка технології та оснащення і впровадження у виробництво способу РОД листових деталей є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконана в лабораторії РОД (“розмірна обробка електричною дугою”) Кіровоградського державного технічного університету згідно діючих з 1998 року галузевих програм за фаховим напрямком “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні” по темі “Дослідження,

розробка та впровадження у виробництво високопродуктивної електроерозійної обробки стаціонарною дугою на великих струмах” (номер державної реєстрації 0299V000800 від 1999 р.) та “Розробка теоретичних основ, технології та обладнання високопродуктивної розмірної обробки електричною дугою непрофільованим електродом ” (номер державної реєстрації 0299V000800 від 1999 р. 0199V003447 від 2001 р.).

Мета і задачі досліджень. Мета роботи – розробка технології та оснащення і впровадження у виробництво способу РОД листових деталей як високоефективної альтернативи традиційним способам металообробки. Поставлена мета роботи реалізована шляхом вирішення таких задач:

1. Аналіз технологічних можливостей, переваг і недоліків відомих способів обробки листових деталей та визначення меж їх раціонального застосування.

2. Економічне обгрунтування та визначення області раціонального застосування РОД листових деталей. Розробка класифікатора РОД листових деталей.

3. Визначення впливу фізико-технологічних характеристик процесу РОД листових деталей на його кількісні та якісні показники.

4. Теоретичні і експериментальні дослідження та оптимізація гідродинамічних характеристик процесу.

5. Обгрунтування та оптимізація геометричних параметрів ЕІ. Розробка рекомендацій, методики проектування та розрахунок виконавчих розмірів ЕІ.

6. Розробка, дослідження і опис технологічних схем формоутворення РОД листових деталей.

7. Дослідження та опис технологічних характеристик процесу РОД листових деталей, зокрема, продуктивності і точності обробки, якості обробленої поверхні, стійкості ЕІ.

8. Розробка технологічних процесів та пристроїв для РОД типових листових деталей.

9. Впровадження у виробництво технології, пристроїв та обладнання РОД листових деталей.

Об'єкт і предмет досліджень. Об'єктом досліджень є спосіб РОД. Предмет дослідження - РОД листових деталей, зокрема, фізико-технологічні характеристики процесу, його гідродинаміка, конструкції ЕІ, технологічні схеми формоутворення, режими обробки, типові технологічні процеси та оснащення.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконано на основі теорії електроерозійної обробки, положень гідравліки, зокрема теорії подібності потоків робочої рідини, теорії математичного планування експерименту та засобів математичного моделювання. При проведенні експериментальних досліджень була використана сучасна вимірювальна апаратура та обладнання, зокрема, осцилографування електротехнологічних характеристик процесу здійснювалось з використанням плати АЦП L-264, встановленої на IBM-сумісних ПЕОМ із процесором IntelТ-486 та пакета програмного забезпечення “Oscilloskop”. Металографічні дослідження виконано металографічним мікроскопом МИМ-8, мікротвердість по глибині і в поверхневому шарі оброблених зразків та глибина зони термічного впливу вимірювалась приладом ПМТ-3. Дослідження технологічних характеристик процесу РОД здійснено з використанням методів математичного багатофакторного планування експерименту та математичного моделювання на ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Запропоновано, досліджено, описано та впроваджено у виробництво спосіб РОД листових деталей, зокрема в комбінації з плазмовим різанням, та економічно обгрунтовано область його раціонального застосування як високоефективної альтернативи традиційним способам штампування та механічної обробки в умовах серійного виробництва.

2. Досліджено та описано вплив фізико-технологічних факторів, таких як сила технологічного струму, напруга дуги, тиск робочої рідини та особливості технологічних схем формоутворення на якісні та кількісні показники процесу. Оптимальні електричні параметри для стандартних джерел живлення характеризуються силою струму І = 30…400 А і середньою напругою U = 22…30 В при її коливаннях в межах 20…35 В, що відповідає мінімальному, технологічно доцільному зазору в межах 0,05…0,1 мм. Процес реалізують уніфікованим, трепануючим, непрофільованим в поздовжньому перерізі ЕІ, при мінімальній товщині стінки до 2…3 мм та густині струму до 2 А/мм2.

3. Теоретично та експериментально досліджено, обгрунтовано і описано особливості гідродинаміки процесу. Встановлено, що в міжелектродному зазорі має місце перехідний режим течі рідини. Запропоновано способи організації потоку рідини в зазорі, зокрема, течію рідини в зоні обробки у звужуючу щілину, комбіноване прокачування

і т. і. Це дозволяє формувати потік оптимальних гідродинамічних характеристик, зменшити втрати тиску та стабілізувати процес.

4. Виведено аналітичні залежності динамічного тиску робочої рідини в довільній точці зони обробки в функції статичного тиску на вході в міжелектродний зазор та гідравлічного опору останнього. Це дозволяє прогнозувати технологічні характеристики процесу РОД та розглядати їх в умовах зазначеного процесу в функції статичного тиску. Показано, що динамічний тиск потоку в зоні обробки дорівнює статичному тиску, поділеному на коефіцієнт опору К, який залежить від форми та розмірів траси міжелектродного зазору і складає, наприклад, для калібрування К = 1,6…2,5.

5. Обгрунтовано і описано геометричні параметри уніфікованих, трепануючих, профільованих в поздовжньому перерізі ЕІ та розрахунок їх виконавчих розмірів, зокрема, кут нахилу робочої поверхні до поверхні обробки при цьому складає 1…6° і т. і.

6. Розроблено, теоретично та експериментально досліджено і описано технологічні схеми формоутворення РОД листових деталей згідно класифікатора, зокрема, для дрібних отворів, для отворів із фасками при комбінованому прокачуванні, для крупних отворів у штучних заготовках трепануючим ЕІ, для вирізання деталей як поштучно, так і пакетом і т. і.

7. Запропоновано, реалізовано і описано спосіб одержання спряжених пар листових деталей, коли деталь-стержень і проміжний стержень-електрод виготовляють методом зворотного копіювання із застосуванням пластинчатого електрода, а деталь-втулку отримують методом прямого копіювання проміжним стержнем-електродом, забезпечуючи необхідний зазор між стержнем і втулкою. Стержень змінного по висоті поперечного перерізу, з якого одержують деталь-стержень та стержень-електрод, отримують використовуючи факт зносу пластинчатого електрода.

Практичне значення та реалізація одержаних результатів

1. Економічно обгрунтовано, визначено раціональні області практичного застосування, розроблено та впроваджено у виробництво процес РОД листових деталей, зокрема в комбінації з плазмовим різанням.

2. Розроблено та передано на підприємства “Червона зірка” (м. Кіровоград) і “Автоштамп” (м. Олександрія) та впроваджено у виробництво та навчальний процес методичні вказівки “Економічне обгрунтування по вибору оптимального способу виготовлення деталей із листового металу з використанням розділових операцій”.

3. Розроблено методики розрахунків технологічних процесів та виконавчих розмірів ЕІ. Розроблено та впроваджено у виробництво типові технологічні процеси, зокрема, РОД квадратних отворів із фасками в лапах культиваторів та овальних отворів шайби, зовнішні контури яких отримують плазмовим різанням; РОД зовнішніх контурів пакета деталей “щока” та “крючок” зі штучних заготовок; РОД зубчатих поверхонь по внутрішньому контуру котушки для висіву зерна, та РОД по зовнішньому контуру зірочки ланцюгової передачі. Для реалізації зазначених технологій розроблено типові пристрої до верстата “Дуга-8” та електроерозійної головки (ЕЕГ) АМН-1.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи було представлено на міжнародній науковій конференції “Современные материалы, технологии, обрудование и инструмент в машиностроении”, Киев – 2000 р.; на другій міжнародній конференції “Прогресивна техніка і технологія – 2001”, Київ – Севастополь; на 9 міжнародній науково-практичній конференції “Організація і технологія ремонту машин, механізмів, обладнання”, Київ – 2001; на третій міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації машин”, Кіровоград – 2001; на трьох науково-технічних конференціях Кіровоградського державного технічного університету.

Публікації. Результати роботи опубліковано в 15 наукових працях. з яких 8 статей, зокрема 7 – у фахових виданнях, 1 авторське свідоцтво, 2 звіти про науково-дослідну роботу, 3 – матеріали доповідей на міжнародних конференціях, 1 методичні вказівки.

Структура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел та додатків

повним обсягом 250 сторінок, зокрема 117 рисунків, 18 таблиць, 84 позицій літератури, 5 додатків – 65 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

РОД листових деталей як високоефективний альтернативний процес металообробки. Область раціонального застосування альтернативних способів обробки листових деталей визначається економічними розрахунками їх технологічної

собівартості. В результаті цих розрахунків отримано графіки технологічної собівартості (рис. 1), де видно, що спосіб РОД ефективний при програмах випуску в межах до кількох десятків тисяч на рік. Собівартість отримання деталей РОД практично не залежить від програми випуску, оскільки інструмент, який є основною складовою постійних витрат коштує в межах 5…50 грн залежно від складності контуру майбутнього виробу і має високу стійкість.

В результаті аналізу літературних даних та економічних розрахунків розроблено схему вибору оптимального способу виготовлення листових деталей (рис. 2).

Рис. 1. Графіки технологічної собівартості виготовлення типових деталей:

а – отворів із фасками в лапі культиватора; б – зовнішнього контуру деталі “щока”

Фізико-технологічні особливості процесу РОД листових деталей визначають технологічні можливості та якісні і кількісні характеристики процесу, особливості технологічних схем формоутворення, геометрію формоутворюючої частини ЕІ та його стійкість, особливості розробки технологічного процесу в цілому, конструкцію пристроїв та інше. При формоутворенні листових деталей за умов використання РОД розділових операцій по внутрішньому контуру треба розрізняти два принципово різних варіанти реалізації процесу. Це, по-перше, формоутворення отворів із габаритами в плані приблизно до 20 мм, коли необхідно повністю зруйнувати відхід (напуск) і, по-друге, формоутворення отворів габаритом більше 20 мм із відокремленням неповністю зруйнованого відходу, коли використовують трепануючий ЕІ з мінімальною товщиною стінки, що значно підвищує продуктивність, зменшує розхід електроенергії, дозволяє надалі використати отриманий при цьому відхід. Принципово все це стосується і формоутворення зовнішнього контуру з тією лише відміною, що процес реалізують при прямому прокачуванні при наявності зовнішнього, до деталі, відходу.

Розглянемо електротехнологічні характеристики процесу для випадку обробки трепануючим ЕІ та калібрування і опишемо режими обробки (сила струму І, напруга U, тиск ) та відповідні технічні рішення, які дозволяють оптимально поєднати кількісні та якісні показники процесу і, отже, оптимізувати його в цілому. В табл. 1, як приклад, представлено принципові технологічні схеми формоутворення, осцилограми І, U, та, відповідно до останніх, мікроструктури обробленої поверхні загартованої сталі У8, що дозволяє надійно описати якісні характеристики обробленої поверхні і, перш за все, величину зони термічного впливу.

Рис. 2. Схема вибору оптимального способу виконання розділових операцій

листових деталей

При малих товщинах заготовки приблизно до 5 мм використовують трепануючий ЕІ постійного поперечного перерізу (поз. 1). ЕІ 1 з пояском 2, 3 при трепанації (поз. 2, 3) забезпечує більш рівномірну шорсткість поверхні при меншій зоні термічного впливу (ЗТВ). Ще більш високі якісні та кількісні показники процесу забезпечує калібрування при наявності незначного (0,5…1 мм) припуску на обробку при мінімальній величині ЗТВ або, практично, її відсутності (поз. 4, 5).

Таблиця 1

Вплив фізико-технологічних факторів на якість обробленої поверхні

Стабільний процес, згідно наведених осцилограм, характеризується для стандартних джерел живлення силою струму І = 30…400 А та середньою напругою U =

22…30 В при її коливаннях в межах 20…35 В, що відповідає мінімальному, технологічно доцільному зазору в межах 0,05…0,1 мм. Процес реалізують уніфікованим, трепануючим, непрофільованим в поздовжньому перерізі ЕІ, при мінімальній товщині стінки до 2…3 мм та густині струму до 2 А/мм2.

Теоретично та експериментально досліджено, обгрунтовано і описано особливості гідродинаміки процесу. Встановлено, що в міжелектродному зазорі має місце перехідний режим течії рідини. Запропоновано способи організації потоку рідини в зазорі, зокрема, течію рідини в зоні обробки у звужуючу щілину; комбіноване прокачування, яке відрізняється відведенням відпрацьованої рідини не тільки через технологічний отвір в ЕІ, але і, одночасно, в порожнину під заготовкою; різноманітні еластичні гумові підкладки, які зберігають швидкість потоку при виході із зазора та сприяють перериванню дуги для забезпечення якісного виходу ЕІ при завершенні обробки і т. і. Це дозволяє формувати потік необхідних гідродинамічних характеристик, зменшити втрати тиску та стабілізувати процес.

Якісні та кількісні характеристики процесу, як відомо, визначаються силою струму І та динамічним тиском потоку робочої рідини в зоні обробки і можуть бути визначені за відомими степеневими залежностями:

, (1)

де y - відповідний технологічний параметр (продуктивність, шорсткість, глибина зони термічного впливу, величина зазору та інше); k - коефіцієнт розмірності; a і b - показники степеню; – динамічний тиск потоку в зоні обробки; – густина робочої рідини, кг/м3 ; –- середня швидкість потоку в зазорі, м/с.

В залежності (1) сила струму - це кількісна характеристика процесу, вона задана і достатньо стала у будь-якому перерізі зазору, а динамічний тиск потоку є функцією координати зони обробки. Визначимо в довільній точці зони обробки.

Запишемо для цього рівняння Бернуллі для перерізів І-І і ІІ-ІІ (рис. 3, а)

, (2)

де - швидкість потоку на виході із зазору (в кінці траси), м/с; - коефіцієнт опору на довжині відповідної траси; - довжина відповідної траси, м; - гідравлічний діаметр кільцевого зазору, м; - односторонній міжелектродний зазор, м; та - швидкість потоку на відповідних ділянках траси, м/с; - коефіцієнт місцевого опору (вхід в зазор, поворот, вихід). Із виразу (2) швидкість витікання рідини із зазора (переріз ІІ-ІІ) визначають за формулою

. (3)

Тоді розхід рідини в цілому складе: (4)

де - площа поперечного перерізу щілини на виході із зазора, м2:

Швидкість потоку рідини в довільній точці зони обробки визначають як

, (5)

де - площа поперечного перерізу щілини рівного гідравлічного опору, на якій знаходиться задана точка , (6)

де - розгортка лінії (еквідістанти) рівного гідравлічного опору, на якій знаходиться задана точка ; - зазор відповідно в точках .

Тому . (7)

Тоді . (8)

І, відповідно . (9)

Надалі, використовуючи залежності (9), (4), (5), (6) визначають в довільній точці зони обробки .

Для розділових операцій листового металу, калібрування (рис. 3, б), отримання стержнів, трепанації

і т. і., коли довжина траси евакуації продуктів ерозії дуже незначна і знаходиться в межах кількох міліметрів, визначальною є величина місцевого опору при переході потоку через місцеве звуження. Із виразу (2) для цих випадків можна записати:

, (10)

звідки , (11)

де – коефіцієнт опору, наприклад, для калібрування = 1,6…2,5.

Отже, динамічний тиск потоку рідини практично не залежить від форми та розмірів ЕІ в плані і тому, зокрема, для трепанації і калібрування можна записати

. (12)

Технологія РОД листових деталей. Спосіб РОД, зокрема, в комбінації із плазмовим різанням дозволяє вирішити питання швидкої підготовки виробництва і отримати дрібні фасонні деталі та отвори згідно класифікатора (табл. 2).

Таблиця 2

Класифікатор деталей і отворів, що отримують способом РОД

Розроблено і описано технологічні схеми формоутворення РОД листових деталей згідно класифікатора. На рис. 4 показано схеми формоутворення відповідно: а) РОД дрібних отворів до 20 мм в плані із вертикальними стінками при зворотному прокачуванні при s Ј 5 мм; б) для тих же отворів при s > 5 мм; в) для отворів із фасками при комбінованому прокачуванні, г) для крупних отворів у штучних заготовках трепануючим ЕІ; д) для обробки крупних отворів в пакеті заготовок трепануючим ЕІ з пояском і застосуванням притискачів відходів; е) для обробки вузьких щілин; ж) для вирізання деталей зі штаби поштучно; з) для вирізання деталей зі штаби пакетом із застосуванням притискачів від робочої рідини; к) для обробки пакета штучних заготовок; л) для калібрування пакета деталей ступінчатим ЕІ, який має дві робочі кромки – чорнову і чистову та РОД спряжених пар листових деталей.

На рис. 5, як приклад, показано ступінь впливу на продуктивність формоутворення крупних отворів при усталеному процесі (рис. 5, а) змінних факторів: сили струму (x1) = 50…400 А, робочої напруги (x2) = 25…30 В, статичного тиску (x3) = 0,6…1,6 МПа, коефіцієнту гідравлічного опору при вході в зазор (x4) = 0,05 і 0,5, максимального розміру траси в плані (x5) = 8…16 мм та нерівномірності траси (x6) = 1…4.

Рис. 4. Технологічні схеми формоутворення: 1 – ЕІ; 2 – ЕЗ; 3 – гумова підкладка;

4 – нижня плита; 5 – робоча рідина; 6 – герметизована камера; 7 – нижня порожнина

камери; 8 – електродотримач; 9 – контакт підведення струму; 10 – трафарет;

11 – оправка; 12 – притискач

Рівняння регресії має вигляд:

y(M) = -0,3 + 0,99 x1 + 0,069 x2 - 0,1 x3 - 0,02 x4 - 0,009 x5 - 0,016 x6 (13)

Математична модель продуктивності , відповідно, має вигляд, мм3/хв:

(14)

Рис. 5. Продуктивність обробки крупних отворів

На підставі ранжування факторів (рис. 5, б) встановлено, що продуктивність обробки визначається перш за все силою струму та статичним тиском робочої рідини (рис. 5, в) згідно виразу, мм3/хв:

(14)

Оптимальним є застосування тонкостінних трепануючих ЕІ. Для зазначених умов на рис. 6 показано графіки залежності продуктивності (як швидкості подачі ЕІ, приведеної до одиниці периметра контура обробки), шорсткості обробленої поверхні, зони термічного впливу, міжелектродного зазора та зносу ЕІ.

Рис. 6. Технологічні характеристики РОД трепануючих ЕІ: а – продуктивність;

б – шорсткість; в – зона термічного впливу; г – міжелектродний зазор; д – знос ЕІ

На рис. 7 показано для обробки деталей пакетом динаміку зносу ЕІ, відповідно для перерізів 1, 2, 3. Останній визначають залежно від припуску на обробку (мм)

за формулою, %

(15)

Для забезпечення оптимального поєднання кількісних і якісних характеристик процесу використовують ЕІ з нахиленою допоміжною поверхнею a = 13°30ў (рис. 8). Робочий поясок теж виконують нахиленим під кутом b в межах 0°30ў…6°.

Розроблено методику визначення виконавчих розмірів ЕІ для РОД листових деталей.

Кут нахилу робочої поверхні пояска

, (16)

де і – верхнє та нижнє відхилення поля допуску деталі; – висота робочого пояска.

Виконавчі розміри ЕІ для внутрішніх контурів (отворів) та зовнішніх контурів (стержнів) визначають за формулами:–

чистова обробка , (17)–

чорнова обробка (18)–

чистова обробка , (19)–

чорнова обробка (20)

де – номінальний розмір деталі; і – міжелектродний зазор, відповідно, при чорновій і чистовій обробці; – мінімальний припуск на обробку.

Розроблено методики розрахунків технологічних процесів. Для вибору режимів обробки розроблено номограми (рис. 9).

Рис. 9. Номограма вибору режимів РОД для трепануючих ЕІ

Типові технологічні процеси та пристрої РОД листових деталей.

Розроблено методику розрахунку та впроваджено у виробництво типові технологічні процеси, зокрема (рис. 10), РОД квадратних отворів із фасками в лапах культиваторів та овальних отворів шайби, зовнішні контури яких отримують плазмовим різанням; РОД зовнішніх контурів пакета деталей “щока” та “крючок” зі штучних заготовок; РОД зубчатих по верхонь по внутрішньому контуру котушки для висіву зерна, РОД по зовнішньому контуру зірочки ланцюгової передачі. Для реалізації зазначених технологій розроблено типові пристрої до верстата “Дуга-8” та ЕЕГ АМН-1.

Рис. 10. Типові листові деталі, одержані РОД

Економічний ефект від впровадження склав:

- Деталь 108.00.4023 “Шайба” - обробка овального отвору: при програмі випуску від 50 до 4 000 деталей розрахунковий економічний ефект складає відповідно від 48 до 0,02 грн. на одну деталь порівняно з пробиванням отвору;

- Деталь Н043.05402 “Лапа культиватора” - обробка квадратних отворів із фаскою: при програмі випуску від 100 до 50 000 лап розрахунковий економічний ефект складає відповідно від 44,8 до 0,1 грн. на одну деталь порівняно з пробиванням отворів та механічною обробкою фасок;

- Деталь 108.00.4069 “Щока” - обробка зовнішнього контуру: при програмі випуску від 100 до 10 000 деталей розрахунковий економічний ефект складає відповідно від 19,5 до 0,15 грн. на одну деталь порівняно з вирубанням;

Фактичний економічний ефект при програмі випуску 100 деталей порівняно з вирубанням склав 1950 грн.

- Деталь ВАС 00.027 “Котушка” - обробка внутрішньої зубчатої поверхні:

при програмі випуску від 50 до 5000 деталей розрахунковий економічний ефект відповідно від 70,1 до 0,17 грн. на одну деталь порівняно з литтям в кокіль.

Фактичний економічний ефект при програмі випуску 50 деталей порівняно з литтям в кокіль склав 3550 грн.

ВИСНОВКИ

1. Запропоновано, досліджено, описано та впроваджено у виробництво спосіб РОД листових деталей, зокрема в комбінації з плазмовим різанням, та економічно обгрунтовано область його раціонального застосування, як високоефективної альтернативи традиційним способам штампування та механічної обробки, в умовах серійного виробництва.

2. Досліджено та описано вплив фізико-технологічних факторів, таких як сила технологічного струму, напруга дуги, тиск робочої рідини та особливості технологічних схем формоутворення на якісні та кількісні показники процесу. Оптимальні електричні характеристики визначають згідно осцилограм. Вони характеризуються для стандартних джерел живлення силою струму І = 30…400 А та середньою напругою U = 22…30 В при її коливаннях в межах 20…35 В, що відповідає мінімальному, технологічно доцільному зазору в межах 0,05…0,1 мм. Процес реалізують уніфікованим, трепануючим, непрофільованим в поздовжньому перерізі ЕІ, при мінімальній товщині стінки до 2...3 мм та густині струму до 2 А/мм2 .

3. Теоретично та експериментально досліджено, обгрунтовано і описано особливості гідродинаміки процесу. Встановлено, що в міжелектродному зазорі має місце перехідний режим течії рідини. Запропоновано способи організації потоку рідини в зазорі, зокрема, течію рідини в зоні обробки у звужуючу щілину; комбіноване прокачування, яке відрізняється відведенням відпрацьованої рідини не тільки через технологічний отвір в ЕІ, але і, одночасно, в порожнину під заготовкою; різноманітні еластичні гумові підкладки, які зберігають швидкість потоку при виході із зазора та сприяють перериванню дуги для забезпечення якісного виходу ЕІ при завершенні обробки і т. і. Це дозволяє формувати потік необхідних гідродинамічних характеристик, зменшити втрати тиску та стабілізувати процес.

4. Виведено аналітичні залежності динамічного тиску робочої рідини в довільній точці зони обробки в функції статичного тиску на вході в міжелектродний зазор та гідравлічного опору останнього. Це дозволяє прогнозувати технологічні характеристики процесу РОД та розглядати їх в умовах зазначеного процесу в функції статичного тиску. Показано, що динамічний тиск потоку в зоні обробки дорівнює статичному тиску, поділеному на коефіцієнт опору К, який залежить від форми та розмірів траси міжелектродного зазору і складає, зокрема, для калібрування К = 1,6…2,5, для квадратного отвору із фаскою К = 6…7.

5. Обгрунтовано і описано геометричні параметри уніфікованих, трепануючих, профільованих в поздовжньому перерізі ЕІ та методику розрахунку їх виконавчих розмірів, що дозволяє оптимізувати процес та повністю використати поле допуску на виготовлення деталі, зокрема кут нахилу робочої поверхні до поверхні обробки при цьому складає 1…6°. Встановлено, що оптимальний кут між допоміжною поверхнею ЕІ, по якій потік рідини надходить в міжелектродний зазор, та оброблюваною поверхнею

заготовки складає 13°30ў. Спряження робочих поверхонь ЕІ виконують максимально можливими радіусами.

6. Розроблено, теоретично та експериментально досліджено і описано технологічні схеми формоутворення РОД листових деталей згідно класифікатора, зокрема, для дрібних отворів габаритом в плані до 20 мм із вертикальними стінками при зворотному прокачуванні, для отворів із фасками при комбінованому прокачуванні, для крупних отворів у штучних заготовках трепануючим ЕІ, для обробки крупних отворів в пакеті заготовок трепануючим ЕІ з пояском і застосуванням притискачів відходів, для обробки вузьких щілин, для вирізання деталей зі штаби як поштучно, так і пакетом із застосуванням притискачів від робочої рідини, для обробки пакета штучних заготовок при прямому прокачуванні, для калібрування пакета деталей ступінчатим ЕІ, який має дві робочі кромки – чорнову і чистову.

7. Розроблено методику розрахунків технологічних процесів, зокрема, номограму вибору режимів РОД для трепануючих ЕІ. Досліджено і описано технологічні характеристики процесу. Залежно від режиму обробки питома продуктивність при обробці трепануючим ЕІ складає 20...200 мм/(смЧхв); шорсткість обробленої поверхні коливається в межах від першого до п'ятого класу; міжелектродний зазор знаходиться в межах 0,03…0,2 мм; лінійний знос ЕІ знаходиться в межах 0,3...1%; зона термічного впливу коливається в межах кількох сотих міліметра і при статичному тиску ” 2 МПа практично відсутня.

8. Запропоновано, реалізовано і описано спосіб одержання спряжених пар листових деталей, коли деталь-стержень і проміжний стержень-електрод виготовляють методом зворотного копіювання із застосуванням пластинчатого електрода, а деталь-втулку отримують методом прямого копіювання проміжним стержнем-електродом, забезпечуючи необхідний зазор між стержнем і втулкою. Стержень змінного по висоті поперечного перерізу, з якого одержують деталь-стержень та стержень-електрод, отримують використовуючи факт зносу пластинчатого електрода.

9. Розроблено та передано на підприємства “Червона зірка” (м. Кіровоград) і “Автоштамп” (м. Олександрія) та впроваджено у виробництво і навчальний процес методичні вказівки “Економічне обгрунтування по вибору оптимального способу виготовлення деталей із листового металу з використанням розділових операцій”.

10. Розроблено методики розрахунків та впроваджено у виробництво типові технологічні процеси, зокрема, РОД квадратних отворів із фасками в лапах культиваторів та овальних отворів шайби, зовнішні контури яких отримують плазмовим різанням; РОД зовнішніх контурів пакета деталей “щока” та “крючок” зі штучних заготовок; РОД зубчатих поверхонь по внутрішньому контуру котушки для висіву зерна, та РОД по зовнішньому контуру зірочки ланцюгової передачі. Для реалізації зазначених технологій розроблено типові пристрої до верстата “Дуга-8” та ЕЕГ АМН-1.

РОБОТИ, ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Носуленко В. І., Чумаченко О. С. Розмірна обробка дугою для розділових операцій листового металу як альтернативний процес металообробки// Збірник наукових праць КДТУ. Вип. 6. Кіровоград: КДТУ, 2000. - с. 10…14.

Носуленко В. І., Чумаченко О. С. Визначення факторів та обгрунтування математичних моделей процесу РОД // Збірник наукових праць КДТУ. Вип. 9. Кіровоград: КДТУ, 2001. - С. 22-27.

3. Носуленко В. І., Чумаченко О. С. РОД фасонних отворів в листовому металі // Збірник наукових праць КДТУ. Вип. 7. Кіровоград: КДТУ, 2000. - С. 216-221.

4. Носуленко В. І., Великий П. М., Чумаченко О. С. Вплив фізико-технологічних факторів на якісні характеристики процесу розмірної обробки дугою// Збірник наукових праць КДТУ. Вип. 10. Кіровоград: КДТУ, 2001. - С. 45-49.

5. Носуленко В. І., Гросул І. А., Чумаченко О. С. Оптимізація та розрахунки виконавчих розмірів електродів в умовах РОД спряжених пар робочих деталей розділових штампів // Збірник наукових праць КІСМ. Вип. 5. Кіровоград: КІСМ, 1999.

- C. 103…106.

6. Носуленко В. І., Чумаченко О. С. Комбинированные процессы металлообработки с использованием электрического дугового разряда // Збірник наукових праць КДТУ. Вип. 9. Кіровоград: КДТУ, 2001. - С. 180-184.

7. Чумаченко О. С. Перспективи та область раціонального застосування РОД листових деталей сільськогосподарської техніки / Конструювання, виробництво та експлуатація с/г машин. Вип. 31. Кіровоград: КДТУ, 2001. - С. 132-135.

8. Носуленко В. І., Чумаченко О. С. РОД фасонних контурів листових деталей // Материалы ІІ международной конф. “Прогрессивная техника и технология - 2001” . Киев - Севастополь: - 2001. С. 19…20.

9. Чумаченко О. С. Комбинированные процессы плазменной резки и РОД для типовых деталей из листового металла // Материалы международной конф. “Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машиностроении” . - Киев: АТМ Украины. - 2000. С. 46-47.

10. Носуленко В. І., Великий П. Н., Сиса О. Ф., Чумаченко О. С. Электроэрозионные головки РОД к металлорежущим станкам // Материалы международной конф. “Организация и технологии ремонта машин, механизмов и оборудования - 2001”. - Киев: - 2001. С. 77…78.

11. Пат. 353511 А Україна, МПК В23Н 9/12, В23Н 1/00. Спосіб одержання спряжених пар робочих деталей розділових штампів. / В. І. Носуленко, І. А. Гросул, О. С. Чумаченко (Україна). - № 99095322; Заявл. 28.09.99; Опубл. 15.03.2001, Бюл. № 2.

12. Економічне обгрунтування по вибору оптимального способу виготовлення деталей із листового металу з використанням розділових операцій. Методичні вказівки до курсового та дипломного проектування для студентів спеціальності 7.090206 “Обладнання для обробки металів тиском” /Укл. В. І. Носуленко, О. С. Чумаченко. - Кіровоград: КДТУ, 2001. - 25 с.

13. Носуленко В. І., Великий П. М., Гросул І. А., Чумаченко О. С. Дослідження, розробка та впровадження у виробництво високопродуктивної електроерозійної обробки стаціонарною дугою на великих струмах: Звіт з НДР/ КДТУ. - Інв. № 0299V000800. - Кіровоград, 1999. - 189 с. ДСК.

14. Носуленко В. І., Запорожченко В. С., Великий П. М., Чумаченко О., Сіса О. Ф. Розробка теоретичних основ, технології та обладнання високопродуктивної розмірної обробки електричною дугою непрофільованим електродом : Звіт з НДР/ КДТУ. - Інв. № 0299V000800. - Кіровоград, 2001. - 63 с. ДСК.

15. Носуленко В. І., Великий П. Н., Сиса О. Ф., Чумаченко О. С. Комбинированные процессы металлообработки с использованием электрического дугового разряда как новые возможности и высокоэффективная альтернатива традиционной технологии // Сварщик. - 2001. - № 5. - С. 30-32.

Особистий внесок здобувача. Автору належить:

[1] - Розрахунки економічної собівартості отримання внутрішніх і зовнішніх контурів листових деталей з використанням розділових операцій. Розробка схеми вибору оптимального способу виконання розділових операцій. [2] - Розраховано динамічний тиск потоку робочої рідини в функції статичного та гідравлічних опорів.Запропоновано використання в математичних моделях технологічних характеристик процесу РОД листових деталей таких факторів як коефіцієнт місцевого опору при вході в зазор, об'ємна складність отвору, складність периметру. Виконано теоретичні розрахунки коефіцієнтів опору для описаних технологічних схем формоутворення. [3] - Складання класифікатора отворів, що отримують способом РОД. Розробка технологічних схем формоутворення, зокрема для обробки отворів з вертикальними стінками поштучно та пакетом, отворів змінного по висоті поперечного перерізу. [4] - Розрахунки гідравлічного опору траси евакуації продуктів ерозії. Оптимізація геометрії уніфікованих трепануючих ЕІ. Експериментальні дослідження ЗТВ загартованої сталі У8. [5] - Розробка розрахункової схеми отримання безступеневого пуансона та розташування полів допусків на його виготовлення. Розрахунок виконавчих розмірів. [6] - Розробка класифікатора деталей, що отримують способом РОД. Складання діаграм собівартості отримання деталей альтернативними способами. [8] - Дослідження та опис технологічних характеристик процесу. [10] - Допрацювання технології та визначення технологічних характеристик РОД зовнішніх та внутрішніх контурів листових деталей. [11] - Запропоновано одержувати безступеневий пуансон-інструмент та пуансон-електрод змінного по висоті поперечного перерізу. Розрахунки виконавчих розмірів. [12] - Розрахунки технологічної собівартості типових листових деталей при їх виготовленні альтернативними способами виконання розділових операцій. Розробка схеми вибору оптимального способу виготовлення деталей. [13] - Розділ 3 “Технологія РОД”, стор. 94…164. [14] - Розділ 2 “Обробка непрофільованим ЕІ деталей з листового металу”, стор. 11…41. [15] - Відпрацювання технології, конструкції електрода-інструмента та визначення економічної ефективності РОД квадратних отворів із фасками.

АННОТАЦИЯ

Чумаченко О. С. Размерная обработка электрической дугой листовых деталей. – Рукопись.

Дисертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 – Процессы физико-технической обработки. Киевский политехнический институт, Киев, 2002 р.

Диссертация посвящена разработке и внедрению в производство способа размерной обработки электрической дугой (РОД) листовых деталей, в частности в комбинации с плазменной резкой, как высокоэффективной альтернативы традиционным способам обработки металлов давлением и резанием в условиях мелкосерийного производства.

Предложен, исследован, описан и внедрён в производство способ РОД листовых деталей, в частности в комбинации с плазменной резкой. Экономически обоснована область его рационального применения, как высокоэффективной альтернативы традиционным способам обработки металлов резанием и давлением, в условиях серийного производства.

Исследовано и описано влияние физико-технологических факторов, таких как сила тока, напряжение дуги, давление рабочей жидкости и особенности технологических схем формообразования на качественные и количественные показатели процесса. Оптимальные электрические характеристики определяют согласно осцилограмм. Они характеризуются для стандартных источников питания силой тока І = 30…400 А и средним напряжением U = 22…30 В при его колебаниях в пределах 20…35 В, что соответствует минимальному, технологически целесообразному зазору в пределах 0,05…0,1 мм. Процесс реализуют унифицированным, трепанирующим, непрофилированным в продольном сечении электродов-инструментов (ЭИ), при минимальной толщине стенки до 2...3 мм и плотности тока до 2 А/мм2 .

Теоретически и экспериментально исследованы, обоснованы и описаны особенности гидродинамики процесса. Предложены способы организации потока жидкости в зазоре, в частности, течение жидкости в зоне обработки в суживающуюся щель;

комбинированная прокачка, которая отличается отводом отработанной жидкости через технологическое отверстие в ЭИ и, одновременно, в полость под заготовкой; разнообразные эластичные резиновые подкладки, которые сохраняют скорость потока при выходе из зазора и прерывают дугу для обеспечения качественного выхода ЭИ при завершении обработки. Это позволяет формировать поток необходимых гидродинамических характеристик и стабилизировать процесс.

Выведены аналитические зависимости динамического давления рабочей жидкости в произвольной точке зоны обработки в функции статического давления на входе в межэлектродный зазор и гидравлического сопротивления последнего. Это позволяет прогнозировать технологические характеристики процесса РОД и рассматривать их в условиях указанного процесса в функции статического давления. Показано, что динамическое давление потока в зоне обработки равно статическому давлению, деленному на коэффициент сопротивления К, который зависит от формы и размеров трассы межэлектродного зазора и составляет, в частности, для калибровки К = 1,6…2,5, для квадратного отверстия с фаской К = 6…7.

Обоснованы и описаны геометрические параметры унифицированных, трепанирующих, профилированных в продольном сечении ЭИ. Разработана методика расчета их исполнительных размеров, которая позволяет полностью использовать поле допуска на изготовление детали, в частности угол