НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ПОПОВА МАРГАРИТА ІВАНІВНА

УДК 621.9.048.4

ПРОГНОЗУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ТА ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСУ РОЗМІРНОЇ ОБРОБКИ

ЕЛЕКТРИЧНОЮ ДУГОЮ СКЛАДНОПРОФІЛЬНИХ ОТВОРІВ

Спеціальність 05.03.07 – Процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Кіровоградському державному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Боков Віктор Михайлович,

Кіровоградський державний технічний університет,

доцент кафедри “Обробка металів тиском та ЛВ”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ковальченко Михайло Савич, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ, завідувач відділом термомеханічної обробки тугоплавких матеріалів;

кандидат технічних наук, доцент Осіпенко Василь Іванович, Черкаський інженерно-технологічний інститут, м. Черкаси, доцент кафедри “Обробка матеріалів за спецтехнологіями”.

Провідна установа:

Національний технічний університет України “Харківський політехнічний інститут”, кафедра “Різання матеріалів та різальні інструменти”, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться 18 лютого 2002 р. о 15 00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “4” січня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Головко Л.Ф.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасними методами обробки отворів є методи електроерозійної обробки (ЕЕО), які дозволяють обробляти будь-який за твердістю електропровідний матеріал (наприклад, загартовані сталі та тверді сплави), а також отримувати отвори складного (не круглого) перерізу при використанні простого поступального руху електрода-інструмента (ЕІ). Одним із найбільш перспективних високопродуктивних методів ЕЕО отворів є спосіб розмірної обробки металів електричною дугою (РОД). При обробці отворів способом РОД електрична дуга горить в торцевому міжелектродному зазорі (МЕЗ) між ЕІ та електродом-заготовкою (ЕЗ) в потужному поперечному потоці робочої рідини. Енергетичні та геометричні параметри дуги, що обумовлюють технологічні характеристики процесу РОД, залежать не тільки від електричного та гідродинамічного режимів обробки, як показано в роботах Носуленко В.І. (автора метода), але і визначаються геометричними параметрами електродів. До теперішньої роботи прогнозування технологічних характеристик Y процесу РОД отворів, що обумовлюють продуктивність та точність обробки, а також якість обробленої поверхні, здійснювалося з використанням двофакторних математичних моделей типу Y = f (x1, x2), де x1 – характеризує електричний режим обробки (силу технологічного струму I або напругу на електродах U), а x2 – гідродинамічний режим обробки (динамічний тиск робочої рідини в МЕЗ Рд, або статичний тиск робочої рідини на вході в МЕЗ Рст). Використання даних моделей для прогнозування технологічних характеристик процесу РОД отворів різної площі обробки із застосуванням різних за формою і розмірами геометричних параметрів ЕІ не є можливим.

Встановлення кібернетичних зв’язків технологічних характеристик процесу РОД отворів із факторами, що визначають не тільки електричний та гідродинамічний режими обробки, але і геометричні параметри електродів, дозволять здійснювати науково–обгрунтований підхід до оптимізації режимів обробки, з метою забезпечення максимальної продуктивності при заданої якості обробленої поверхні. Крім того, вивчення характеру цих зв’язків відкриє шлях до інтенсифікації процесу РОД отворів різної геометричної складності. Рішення даної проблеми і обумовлює актуальність теми.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно: координаційного плану Міністерства освіти та науки України (машинобудування та аерокосмічний комплекс) № 43 від 24.12.1996 “Технологічні схеми формоутворення електроерозійної обробки стаціонарною дугою на великих струмах” та з планами 1997 – 2000 років науково-дослідної роботи в лабораторії РОД Кіровоградського державного технічного університету та договором про наукове співробітництво № 36/18 від 25.12.1998 між науково-виробничою фірмою “Карма” м. Світловодськ та Кіровоградським державним технічним університетом.

Мета і задачі дослідження. Мета досліджень – прогнозування технологічних характеристик та підвищення ефективності процесу РОД складнопрофільних отворів.

Поставлена мета досягається шляхом вирішення наступних задач:

- розробка математичних моделей, які встановлюють багатофакторний зв’язок технологічних характеристик процесу прошивання та розточування отворів електричною дугою з електричним та гідродинамічним режимами обробки, геометричними параметрами електродів, з урахуванням полярності обробки, та дозволяють керувати продуктивністю, точністю обробки, а також якістю обробленої поверхні, прогнозувати дані характеристики і виявляють шляхи підвищення ефективності процесу РОД складнопрофільних отворів;

- розробка критеріїв оцінки геометричної складності отворів стосовно обробки їх способом РОД з урахуванням гідродинаміки течії робочої рідини в МЕЗ;

- інтенсифікація процесу обробки електричною дугою складнопрофільних отворів за рахунок застосування різнорежимної РОД;

- розробка практичних рекомендацій РОД складнопрофільних отворів та впровадження результатів досліджень у виробництво.

Об’єкт і предмет дослідження. Об’єктом дослідження є процес РОД отворів. Предметом дослідження є обгрунтування методик прогнозування технологічних характеристик та інтенсифікації процесу РОД складнопрофільних отворів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися на основі загальних положень теорії ЕЕО, розробленої Б.М. Золотих, Г.М. Мещеряковим та теорії процесу РОД, запропонованої В.І. Носуленко. Експериментальні дослідження технологічних характеристик процесу РОД отворів проводилися з використанням методів багатофакторного математичного планування експерименту, з застосуванням для статистичної обробки експериментальних даних та розрахунку поліноміальних математичних моделей пакету прикладних програм “Планування, регресія та аналіз моделей” (“ПРІАМ”). Експериментальні дослідження проводилися за допомогою сучасної вимірювальної апаратури.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено кібернетичні зв’язки технологічних характеристик процесу прошивання та розточування отворів електричною дугою не тільки з електричним та гідродинамічним режимами обробки, але і з геометричними параметрами електродів, які дозволяють керувати продуктивністю та точністю обробки, а також якістю обробленої поверхні, та виявляють шляхи підвищення ефективності процесу РОД складнопрофільних отворів.

Вперше запропоновано і обгрунтовано новий принцип організації потоку в торцевому МЕЗ при РОД отвору з похилою донною поверхнею, який дозволяє стабілізувати горіння електричної дуги в початковій фазі процесу за рахунок штучного перерозподілу потоку в торцевому МЕЗ.

Вперше запропоновано та розроблено новий метод інтенсифікації процесу обробки електричною дугою складнопрофільних отворів шляхом різнорежимної послідовної РОД одним двоступінчастим ЕІ, який дозволяє отримати якісно оброблену поверхню за один робочий хід інструмента при максимально можливій продуктивності обробки.

Практичне значення отриманих результатів. 1. Одержані математичні моделі технологічних характеристик знаходять практичне застосування для розмірного прошивання та розточування електричною дугою складнопрофільних отворів при прогнозуванні:

- продуктивності, питомої продуктивності та питомої витрати електроенергії процесу обробки – характеристик, що визначають економічну ефективність обробки;

- бічного МЕЗ та відносного зносу ЕІ – характеристик, що визначають точність обробки;

- шорсткості обробленої поверхні та глибини зони термічного впливу – характеристик, що визначають якість обробленої поверхні.

2. Розроблено та апробовано спосіб РОД отворів з похилим дном, який порівняно із відомим, дозволяє суттєво розширити технологічні можливості процесу за рахунок розширення діапазону кута нахилу донної поверхні отвору відносно стартової поверхні заготовки від 0…1 до 1…12,5 і більше.

3. Розроблено та апробовано спосіб електроерозійної різнорежимної послідовної РОД складнопрофільних отворів одним двоступінчастим ЕІ. Експериментальна перевірка даного способу на прикладі РОД ексцентрикової дрібномодульної шліцевої втулки показала дев’ятикратне зменшення верстатного часу порівняно з однорежимною РОД, що економічно обгрунтовує доцільність застосування даного способу.

4. На підставі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень розроблено технологічний процес прошивання–розточування фігурного отвору в матриці для пресування виробів із металевого порошку для науково-виробничої фірми “Карма” (м. Світловодськ), який, у відповідності з договором № 36/18 від 25.12.1998 року, пройшов виробничі випробування та рекомендований до впровадження. Показано, що розроблений технологічний процес РОД фігурного отвору матриці дозволяє, порівняно з електроімпульсною обробкою (ЕІмО), підвищити продуктивність при попередньому прошиванні в 2,6 рази, при розточуванні – в 5 разів та скоротити загальний час обробки отвору в 3,3 рази.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації побудовано математичні моделі та проведені теоретичні дослідження щодо встановлення кібернетичних зв’язків технологічних характеристик процесу прошивання та розточування отворів електричною дугою з електричним та гідродинамічним режимами обробки, а також з геометричними параметрами електродів. Запропоновано та досліджено нові високоефективні способи РОД отворів з похи-лим дном та різнорежимної РОД складнопрофільних отворів. Розроблено нові технологічні пристрої для реалізації даних способів.

Автор проводив експериментальні дослідження і приймав безпосередню участь у впровадженні результатів дисертаційної роботи. Особистий внесок пошукувача відображено у наукових працях, опублікованих за участю дисертанта.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і були відзначені дипломом І ступеню на VII та VIII Міжнародних науково–технічних конференціях “Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века” (Севастопіль, 2000, 2001 р.); XXIX, XXX та XXXI конференціях викладачів, аспірантів та співробітників КДТУ (Кіровоград 1998, 1999, 2000 р.); Міжнародній ювілейній науково-технічній конференції Асоціації спеціалістів промислової гідравліки та пневматики “Техническая гидромеханика, элементы и системы гидропневмопривода и гидропневмоавтоматики” (Кіровоград, 2000 р.); на розширеному засіданні кафедри металорізальних верстатів та систем КДТУ (Кіровоград, 2000 р.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано в 6-ти статтях та захищено двома патентами України на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 102 найменувань та 4 додатків – 90 с. Повний обсяг дисертації становить 182 сторінки, включаючи 61 рисунок та 10 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність науково-технічної проблеми, вирішенню якої присвячена робота, висвітлено її зв’язок з науковими програмами, планами та темами. Подано загальну характеристику, окреслено основну мету та сформульовано задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів. Наведено інформацію про апробацію матеріалів дисертації, а також про структуру роботи.

В результаті аналізу літературних джерел виявлено, що одним із самих високопродуктивних, а тому перспективних способів ЕЕО отворів є спосіб РОД, який, порівняно з ЕІмО, дозволяє на порядок і більше підвищити продуктивність обробки, зменшити приблизно в два рази питому витрату електроенергії та в 3…5 разів знизити вартість джерел живлення технологічним струмом. На підставі виявлених класифікаційних ознак (глибина обробки, форма поперечного та поздовжнього перерізу, поперечний розмір та форма осі), розроблено класифікацію отворів за геометричними параметрами стосовно ЕЕО, яка дозволяє систематизувати отвори не тільки за геометричною формою, але і за однаковими технологічними умовами їх обробки. Установлено, що отримані до даної роботи двофакторні математичні моделі технологічних характеристик процесу РОД отворів не відбивають вплив геометричних параметрів ЕІ та ЕЗ, а тому не можуть бути використані для їх прогнозування та наукового обгрунтування вибору режиму обробки. Крім того, вони не вказують на шляхи до оптимізації та інтенсифікації процесу прошивання та розточування електричною дугою отворів різної геометричної складності. Виходячи з сучасного стану проблеми, сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи, результати розв’язку яких викладено у наступних розділах.

В результаті аналізу обгрунтовується вибір технологічної схеми формоутворення отворів способом РОД при прошиванні та розточуванні, яка забезпечує потрібні точність та якість обробки бічної поверхні отвору та включає в себе поступальний зустрічний рух електродів і однозонний спосіб зворотного прокачування робочої рідини крізь торцевий МЕЗ (табл. 1). Опиcується послідовність та фізичний механізм реалізації процесу РОД отворів при прошиванні та розточуванні з урахуванням гідродинамічних явищ в міжелектродному проміжку (МЕП).

Технологічні характеристики процесу РОД отворів (продуктивність обробки М, мм3/хв; питома продуктивність обробки Ма, мм3/Ахв; питома витрата електроенергії а, кВтгод/кг; бічний зовнішній МЕЗ , мм; відносний лінійний знос ЕІ , %; шорсткість обробленої поверхні Ra, мкм; глибина зони термічного впливу Н, мкм) в роботі представлено у вигляді багатофакторних поліноміальних математичних моделей, лінійних відносно параметрів типу

де та – поліноми першого та (S1-1) (Sk-1) порядків від рівнів варіювання факторів Х1,…, Хk.

Таблиця 1

Морфологія РОД отворів при прошиванні та розточуванні з використанням однозонного способу зворотного прокачування робочої рідини крізь торцевий МЕЗ та епюри швидкостей потоку в ньому.

Електричний режим обробки представлено такими факторами, як сила технологічного струму І (Х1), та наруга на електродах U (Х2), а гідродинамічний режим обробки задавався статичним тиском робочої рідини Рст (Х3), на вході потоку в МЕЗ. Уперше в якості факторів в математичних моделях, що відбивають технологічні характеристики процесу прошивання та розточування отворів, використано такі геометричні параметри електродів, як площа обробки F (Х4), висота пояска с (Х5), та відносний діаметр каналу в ЕІ D/d (Х6). F, за інших рівних умов, відбиває гідравлічний опір торцевого МЕЗ, с на ЕІ – гідравлічний опір бічного зовнішнього МЕЗ, а D/d характеризує довжину траси евакуації продуктів ерозії із торцевого МЕЗ. Розрахунок полі-номіальних математичних моделей технологічних характеристик процесу РОД отворів при прошиванні (табл. 2, 3) та розточуванні (табл. 4) здійснювали з використанням пакету прикладних програм “ПРІАМ”. В результаті експериментального дослідження отримано математичні моделі технологічних характеристик процесу прошивання та розточування отворів електричною дугою на зворотній та прямій полярностях, які встановлюють багатофакторний зв’язок не тільки з електричним та гідродинамічним режимами

Рис.1. Залежність технологічних характеристик процесу РОД отворів від змінних параметрів режиму обробки (І, U, Рст) та геометричних параметрів електродів (F, с, D/d): а – М1 = f (І, U), прошивання, зворотна полярність; б – Ма2 = f (D/d, І), прошивання, пряма полярність; в – а2 = f (D/d, І), прошивання, пряма полярність; г – Ra = f (с, І), розточування, зворотна полярність; д - = f (І, с), розточування, зворотна полярність; е - = f (І,Рст), розточування, зворотна полярність

обробки, але і з геометричними параметрами електродів, та дозволяють керувати продуктивністю та точністю обробки, стійкістю ЕІ, а також якістю обробленої поверхні, і прогнозувати дані характеристики.

Продуктивність М процесу прошивання (рис. 1) та розточування отворів

Таблиця 2

Поліноміальні математичні моделі процесу прошивання отворів способом РОД на зворотній полярності

Математична модель | Масштабні співвідношення факторів

М1 = 1435+577х1+412х2+ 287х1х2+ 252х4+ 132х1х4- 62х1х5- 27х5 | х1 = 0,02(Х1 – 150);

х2 = 0,2(Х2 - 30);

х3 = 5(Х3 - 0,6);

z3 = 1,125(х32 +

+ 2,4810-8х3-0,888);

х4 = 0,002(Х4 –785);

х5 = 0,111(Х5 – 11);

х6 = 0,8(Х6 - 2,75)

Ма1 = 7,2-1,28х4-0,68х2-0,46х5-0,71х1х2

а1 = 9,32+2,33х2+1,56х4+1,13х1х2+0,76х1

Ra1=16,61-6,81х3+6,41х5+4,88х1+4,1х1х2+3,69х6-2,15х3х6-1,74х4

Н1 = 73,47- 21,87х3 + 19,87х5 + 16,62х1х2 + 14,62х6 - 11,87х3х5 -6,62х3х6 - 4,62х4

1 = 0,67 – 0,36х2 + 0,35х6 – 0,22х5 + 0,1х1 + 0,04х3

1 = 0,082 + 0,007х6 – 0,006х1х2 – 0,003х3х5 + 0,003х5 - 0,002х2 - 0,005z3 – 0,017х3

визначається, насамперед, силою технологічного струму і зростає з її підвищенням. Порівняно з ЕІмО, продуктивність процесу прошивання на зворотній полярності в 1,9…3,5 рази більше, при прошиванні на прямій полярності – в 4…11 разів більше, а при розточуванні на зворотній полярності – в 2,8…2,9 разів більше.

Таблиця 3

Поліноміальні математичні моделі процесу прошивання отворів способом РОД на прямій полярності

Математична модель | Масштабні співвідношення факторів

М2 = 4643+3181х1-856х6+ 783х2+ 688х4+681х1х2-278х3- 246х1х3 | х1 = 0,0066(Х1 –250);

х2 = 0,2(Х2 - 30);

х3 = 1,25(Х3 - 1,2);

х4 = 0,002(Х4 –785);

х5 = 0,111(Х5 – 11);

х6 = 0,8(Х6 - 2,75)

Ма2 = 17,25-2,75х6+2,4х1+2,35х2+1,32х1х2+1,12х4-0,82х3

а2 = 3,81+0,62х6-0,42х1+0,35х1х2+0,25х3-0,17х5

Ra2=21,68-11,6х1х3-11,6х3-9,65х3х5

Н2 = 97,33- 44х1х3 – 44х3 - 34х3х5 + 6 х1х4

2 = 0,88 + 0,7х3 - 0,45х1 – 0,34х2 + 0,22х4 + 0,2х5

2 = 0,152 + 0,034х5 + 0,021х6 – 0,021х1х6 - 0,009х3х4 -0,009х3х6 + 0,009х1

Питома продуктивність Ма процесу прошивання отворів на зворотній полярності визначається перш за все площею обробки і підвищується з її зменшенням; Ма при прошиванні на прямій полярності визначається D/d і з його зменшенням підвищується; Ма при розточуванні визначається напругою на електродах та підвищується із її підвищенням.

Таблиця 4

Поліноміальні математичні моделі процесу розточування отворів способом РОД на зворотній полярності

Математична модель | Масштабні співвідношення факторів

М = 463+188х1+118х2- 108х5+ 106х3-63х6-46х1х6+ 31х1х2 | х1 = 0,066(Х1 –45);

z1 = 1,125(х12-0,888);

х2 = 0,2(Х2 – 30);

х3 = 5(Х3 - 0,6);

z3 = 1,125(х32 +

+ 2,4810-8 х3-0,888);

х4 =0,019(Х4 –188,5);

х5 = 0,111(Х5 – 11);

х6 = 0,66(Х6 – 4,5)

Ма = 10+2,7х2-1,85х5+1,7х3+1,17х1х4-0,82х3х5

а = 6,8+1,15х5-0,82х3+0,6х1х2-0,57х2-0,32х1+0,35z3

Ra = 11,82 +4,39х5 +3х1 +3х2 -2,43х3 -2,43х4 +2,04х6 +1,86х1х2

Н = 75,36 + 27,87х5 + 19,37х2 + 19,37х1 – 15,62х3-

- 15,62х4 + 13,37х6 + 12,12х1х2

= 0,44 - 0,25х1 - 0,25х5 + 0,19х3 + 0,19х1х6 –

- 0,18х1х2 + 0,13х3х6 + 0,12х1х4

= 0,076 + 0,014х5 – 0,005х3х6 – 0,004х1х5 + 0,007z1 +0,002х6

Порівняно з ЕІмО, Ма процесу прошивання на зворотній полярності в 3…8 разів більша; при прошиванні на прямій полярності – в 6…7 разів більша, а при розточуванні на зворотній полярності – в 3,8…4,2 рази більша.

Питома витрата електроенергії процесу прошивання на зворотній полярності визначається, насамперед, напругою на електродах та зменшується з її підвищенням; а при прошиванні на прямій полярності – D/d, зменшується з його зменшенням; а при розточуванні на зворотній полярності – висотою пояска на ЕІ с та зменшується з її зменшенням. Порівняно з ЕІмО, питома витрата електроенергії процесу прошивання на зворотній полярності в 1,4…1,6 рази менша, при прошиванні на прямій полярності – в 2,3…2,8 рази менша, а при розточуванні на зворотній полярності – в 1,3…1,8 рази менша. Це економічно обгрунтовує доцільність застосування процесів РОД отворів.

Шорсткість обробленої поверхні Ra, процесу прошивання отворів способом РОД, як на зворотній, так і на прямій полярності визначається, Рст на вході потоку в МЕП і зменшується з його збільшенням. При розточуванні отворів на зворотній полярності головним керуючим фактором слід признати висоту пояска на ЕІ, із зменшенням якої Ra зменшується.

Глибина зони термічного впливу Н процесу прошивання отворів способом РОД на зворотній та прямій полярностях визначається, також як і шорсткість обробленої поверхні, Рст, а при розточуванні на зворотній полярності – висотою с. В рамках експериментальних досліджень було зафіксовано Н в межах 40…240 мкм.

Головним фактором для керування відносним лінійним зносом ЕІ процесу прошивання отворів на зворотній полярності є напруга на електродах, із підвищенням якої знос зменшується; при прошиванні на прямій полярності – фактор Рст, із зменшенням якого знос зменшується, а при розточуванні на зворотній полярності – І, із зменшенням якого зменшується. Показано можливість здійснення процесу розточування отворів при = 0. Запропоновано область раціональних режимів усталеного процесу розточування отворів.

Головним фактором для керування бічним зовнішнім МЕЗ процесу прошивання отворів способом РОД на зворотній полярності є фактор Рст, із підвищенням якого зменшується, а при прошиванні на прямій полярності та при розточуванні на зворотній полярності – фактор с, із зменшенням якого зазор зменшується.

З метою розробки технологічних прийомів РОД отворів різної геометричної складності введено поняття про критерії їх кількісної оцінки (табл. 5). Можливість обробки отворів різної форми у плані при використанні однозонного способу зворотного прокачування робочої рідини крізь торцевий МЕЗ залежить, насамперед, від співвідношення найбільшої довжини траси евакуації продуктів ерозії із торцевого МЕЗ lmax та найменшої lmin. Багатьма експериментальними дослідженнями доведено, що РОД отворів з використанням однозонного способу зворотного прокачування при lmax/lmin 2 можлива, але із підвищенням даного критерію усталеність процесу погіршується. Останнє пов’язано з наявністю в торцевому МЕЗ градієнту швидкостей потоку, що обмежує продуктивність обробки, так як різним швидкостям відповідають різні за енергетичними параметрами та геометричними розмірами дуги. В зв’язку з цим, там, де швидкість менша, виникають проблеми ефективного вилучення продуктів ерозії із торцевого МЕЗ, процес дестабілізується і може зупинитися зовсім. Саме тому, за критичне значення критерію оцінки геометричної складності отворів простої форми у плані приймаємо співвідношення [lmax/lmin] = 2, яке обмежує верхню межу застосування однозонного способу зворотного прокачування робочої рідини крізь торцевий МЕЗ при РОД отворів. Таким чином, отвори простої форми у плані охоплюються коефіцієнтом геометричної складності lmax/lmin, який змінюється від 1 до 2. Тоді, критерій оцінки геометричної складності отворів складної форми у плані буде охоплювати діапазон lmax/lmin > 2, і потребує багатозонного способу зворотного прокачування робочої рідини крізь торцевий МЕЗ.

Можливість обробки отворів різної форми поздовжнього перерізу, зокрема з похилим дном, при використанні однозонного способу прокачування робочої рідини крізь торцевий МЕЗ залежить, насамперед, від кута нахилу донної поверхні . В цьому зв’язку критерій оцінки геометричної складності отворів простої форми поздовжнього перерізу буде охоплювати діапазон

0 < < 1, в якому обробка можлива без застосування спеціальних прийомів, так як в початковій фазі процесу різниця швидкостей на вході потоку в

торцевий МЕЗ на різних ділянках відносно невелика. Це дає можливість збуджувати дуги в торцевому МЕЗ з приблизно рівними енергетичними параметрами, що сприяє усталеності процесу обробки. Критерій оцінки геометричної складності отворів складної форми поздовжнього перерізу охоплює діапазон > 1 і потребує застосування спеціальних технологічних прийомів.

Розроблено методики розрахунку режимів РОД та геометричних параметрів ЕІ для РОД отворів різної геометричної складності.

Запропоновано новий принцип організації гідродинамічного режиму потоку в МЕП при РОД отворів складної форми поздовжнього перерізу, який дозволяє оптимізувати гідродинамічний режим в торцевому МЕЗ в початковій фазі обробки за рахунок дискретного керування гідравлічним опором течії робочої рідини в бічному зовнішньому МЕЗ (рис. 2). На підставі даного принципу розроблено новий спосіб РОД отворів з похилим дном, який в умовах експерименту дозволив обробити отвори з кутом нахилу донної поверхні до 12,5.

Подальша інтенсифікація процесу пов’язана з переходом від однорежимної до різнорежимної РОД отворів. При різнорежимної обробці основну масу матеріалу видаляють на чорновому (високопродуктивному) режимі, з відносно низькою якістю обробленої поверхні, а незначну масу у вигляді тонкого периферійного шару – на чистовому (низькопродуктивному) режимі з відносно високою якістю обробленої поверхні.

Для кількісної оцінки введено поняття про повний коефіцієнт інтенсифікації різнорежимної РОД отвору, який враховує не тільки верстатний, але й допоміжний час обробки

де Тв(ор) та Тв(рр) – верстатний час відповідно однорежимної та різнорежимної РОД отвору; Тд(ор) та Тд(рр) – допоміжний час відповідно однорежимної та різнорежимної РОД отвору.

Розроблено класифікацію способів різнорежимної РОД отворів та виконано їх багатокритеріальний теоретичний аналіз. В результаті аналізу, який враховував кількість ЕІ, характеристику складності конструкції ЕІ та електродотримачів, кількість джерела живлення, характеристику усталеності процесу, наявність продуктів ерозії в бічному МЕЗ, необхідність одночасного вступу ЕІ в початковій фазі процесу, можливість керування Рст окремо на чорновому та чистовому режимах, можливість керування робочою напругою окремо на чорновому та чистовому режимах та запропонований повний коефіцієнт інтенсифікації процесу різнорежимної РОД (Кі), зроблено бальну якісну порівнювальну оцінку складових частин ефективності способів різнорежимної РОД круглого отвору, за якою найкращій показник ефективності отримав запропонований автором спосіб різнорежимної послідовної РОД наскрізних отворів одним двоступінчастим ЕІ (рис. 3).

Рис. 2. Схема РОД отвору з похилою донною поверхнею: початкова (а) та кінцева (б) фази обробки; 1 – локальна герметизована камера; 2 – електродотримач; 3 – ЕІ; 4 – бічний зовнішній МЕЗ; 5 – ЕЗ; 6 – донна поверхня; 7 – торцевий МЕЗ; 8 – електрична дуга; 9 – канал в ЕІ

Рис. 3. Схема різнорежимної послідовної РОД отвору одним двоступінчастим ЕІ: а – чорновий режим; б – чистовий режим; 1 – ЕІ; 2 – ЕЗ; 3,4 – електричні дуги; 5 – герметизована камера; 6 – джерело живлення технологічним струмом; 7 – допоміжна герметизована камера

Даний спосіб послідовно реалізує різнорежимну РОД отвору в три етапи: на першому здійснюється попереднє прошивання отвору на чорновому режимі з використанням нижньої ступені ЕІ; на другому – холостий перебіг ЕІ (без вимикання електричної та гідравлічної систем верстата), в рамках якого змінюється режим обробки (електричний та, якщо потрібно, і гідродинамічний); на третьому - виконується розточування отвору на чистовому режимі з використанням верхньої ступені ЕІ.

Фізичною умовою реалізації даного способу є відстань А між ступенями, яка повинна бути більше товщини ЕЗ. Експериментальне підтвердження ефективності способу різнорежимної послідовної РОД наскрізного отвору одним двоступінчастим ЕІ у порівнянні з однорежимною обробкою виконано для РОД круглого отвору в плані та складнопрофільного отвору на прикладі ексцентрикової дрібномодульної шліцевої втулки. Показано, що, порівняно з однорежимною РОД, верстатний час різнорежимної РОД круглого отвору зменшився в 14 разів, а складнопрофільного – в 9 разів. Останнє економічно обгрунтовує доцільність застосування даного способу для обробки складнопрофільних отворів.

Загальні висновки

В дисертаційній роботі розроблено теоретичні та практичні основи прогнозування технологічних характеристик та інтенсифікації процесу РОД складнопрофільних отворів.

1. В результаті аналізу сучасних методів ЕЕО отворів виявлено, що одним із самих високопродуктивних, а тому, перспективних способів їх обробки є спосіб РОД. Запропонована класифікація отворів за геометричними параметрами стосовно електроерозійної обробки, зокрема процесу РОД, дозволяє систематизувати отвори не тільки за геометричною формою, але і за однаковими умовами їх обробки.

2. Виконано порівнювальний аналіз, описано послідовність реалізації та особливості фізичних механізмів процесу РОД отворів методами прошивання та розточування в умовах однозонного способу зворотного прокачування, що дозволило обгрунтувати вибір технологічної схеми їх формоутворення, з урахуванням гідродинамічних явищ в МЕП.

3. В результаті експериментального дослідження вперше встановлено кібернетичні зв’язки технологічних характеристик процесу прошивання та розточування отворів електричною дугою на зворотній та прямій полярностях не тільки з електричним та гідродинамічним режимами обробки, але і з геометричними параметрами електродів. Отримані математичні багатофакторні моделі дозволяють керувати продуктивністю та точністю обробки, стійкістю ЕІ, а також якістю обробленої поверхні, і прогнозувати дані характеристики.

4. З метою розробки технологічних прийомів РОД отворів різної геометричної складності запропоновано критерії кількісної оцінки геометричної складності даних отворів, стосовно їх однорежимної обробки. Показано, що отвори за формою у плані доцільно оцінювати коефіцієнтом геометричної складності lmax / lmin, який для отворів простої форми змінюється від 1до 2, а для отворів складної форми – більше 2. Показано, що отвори за формою поздовжнього перерізу доцільно оцінювати кутом нахилу донної поверхні , який для отворів простої форми змінюється від 0 до 1, а для отворів складної форми – більше 1.

5. З метою оптимізації процесу однорежимної РОД отворів різної геометричної складності розроблено методики розрахунку режимів та геометричних параметрів електродів-інструментів, які базуються на використанні отриманих математичних моделей технологічних характеристик їх прошивання та розточування.

6. Для науково-виробничої фірми “Карма” (м. Світловодськ) розроблено технологічний процес РОД робочого вікна матриці для пресування швидко-змінних пластинок із твердосплавного порошку, який, порівняно з ЕІмО, дозволяє підвищити продуктивність при попередньому прошиванні в 2,6 рази, при розточуванні – в 5 разів, та скоротити загальний час обробки в 3,3 рази. Даний технологічний процес пройшов виробничі випробування та рекомендований до впровадження на науково-виробничий фірмі “Карма” (м. Світловодськ).

7. Запропоновано новий принцип організації гідродинамічного режиму потоку в МЕП при РОД отворів складної форми поздовжнього перерізу, який дозволяє оптимізувати гідродинамічний режим потоку в торцевому МЕЗ в початковій фазі обробки за рахунок дискретного керування гідравлічним опором течії робочої рідини в бічному зовнішньому МЕЗ. На підставі даного принципу розроблено новий спосіб розмірної обробки електричною дугою отворів з похилим дном, який в умовах експерименту дозволив обробити отвори з кутом нахилу донної поверхні до 12,5.

8. На базі порівнювального аналізу запропонованих п’яти способів різнорежимної РОД отворів виявлено, що найбільш ефективним є новий спосіб різнорежимної послідовної РОД отворів одним двохступінчастим ЕІ, який дозволяє, порівняно із способом однорежимної РОД, скоротити верстатний час обробки круглого наскрізного отвору в 14 разів при умові забезпечення однакової шорсткості (Rа = 6,3 мкм) обробленої поверхні та точності обробки (б = 0,05 мм).

9. З метою інтенсифікації процесу РОД складнопрофільних отворів виконано експериментальну перевірку можливості застосування способу різнорежимної послідовної РОД одним двохступінчастим ЕІ на прикладі обробки ексцентрикової дрібномодульної шліцевої втулки, яка показала 9-кратне зменшення верстатного часу порівняно з однорежимною РОД, що економічно обгрунтовує доцільність застосування даного способу для обробки складнопрофільних отворів.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

Основні положення дисертації опубліковано в наступних роботах:

1.

2. Боков В.М., Попова М.І. Прогнозування технологічних характеристик процесу розмірної обробки отворів електричною дугою на режимах прошивання та розточування // Международный сборник научных трудов / прогрессивные технологии и системы машиностроения / - Вып. 11 - Донецк. - 2000. – С. 97-102.

3. Попова М.І. Вплив гідродинамічного та геометричного факторів на якість поверхні після обробки електричною дугою // Збірник наукових праць КДТУ / техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машино-будування, автоматизація / - Вип. 9 – Кіровоград: КДТУ. 2001. - С. 239 - 243.

4. Боков В.М., Попова М.И. Разнорежимная размерная оброботка электрической дугой сложнопрофильных отверстий // международный сборник научных трудов / прогрессивные технологии и системы машиностроения / - Вип.16 – Донецк. – 2001. – С. 52-57.

5. Боков В.М., Попова М.І. Розмірна обробка електричною дугою отворів та порожнин з похилим дном // Збірник наукових праць – Кіровоград, КІСМ, 1997. – С. 55-60.

6. Боков В.М., Попова М.І. Оптимізація геометричних параметрів

електрода-інструмента для розмірного прошивання отворів електричною дугою. Зб. наук. праць – Кіровоград, КІСМ, 1998 – С. 117-123.

7. Пат. 22072 А Україна, МПК В23Н7/36. Спосіб розмірної обробки електричною дугою отворів та порожнин: Пат. 22072 А Україна, МПК В23Н7/36 / В.М. Боков, М.І. Попова (Україна). - № 960417707; Заявл. 29.04.96; Опубл. 30.04.98, Бюл. № 2.

8. Пат. 31732 А Україна, МПК В23Н 1/00. Спосіб електроерозійної обробки зовнішніх та внутрішніх поверхонь: Пат. 31732 А Україна, МПК В23Н 1/00 / В.М. Боков, Л.В. Карпенко, М.І. Попова (Україна) № 98105648; Заявл. 27.10.98; Опубл. 15.12.2000; Бюл. № 7-ІІ.

АНОТАЦІЯ

Попова М.І. Прогнозування технологічних характеристик та інтенсифікація процесу розмірної обробки електричною дугою складнопрофільних отворів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 – Процеси фізико-технічної обробки. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2001.

Дисертація присвячена розробці теоретичних та практичних основ прогнозування технологічних характеристик процесу розмірного прошивання та розточування отворів електричною дугою. Отримано багатофакторні математичні моделі технологічних характеристик. Запропоновано критерії кількісної оцінки геометричної складності отворів. Розроблено методики розрахунку режимів та геометричних параметрів ЕІ для РОД отворів різної геометричної складності. Запропоновано новий принцип організації гідродинаміч-ного режиму потоку в МЕЗ та спосіб РОД отворів з похилим дном. Показано, що найбільш ефективним є новий спосіб різнорежимної послідовної РОД складнопрофільних отворів одним двоступінчастим ЕІ.

Ключові слова: розмірна обробка дугою, складнопрофільні отвори, технологічні характеристики, багатофакторне планування експерименту, прогнозування режимів обробки, прошивання та розточування, різнорежимна обробка.

АННОТАЦИЯ

Попова М.И. Прогнозирование технологических характеристик и интенсификация процесса размерной обработки электрической дугой сложнопрофильных отверстий. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 – Процессы физико-технической обработки. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2001.

Цель диссертационной работы состоит в прогнозировании технологических характеристик и повышении эффективности процесса размерной обработки электрической дугой (РОД) сложнопрофильных отверстий. Достижение цели осуществляется путем: разработки математических моделей, которые устанавливают многофакторную связь технологических характеристик процесса прошивания и растачивания отверстий электрической дугой с электрическим и гидродинамическим режимами обработки, геометрическими параметрами электродов и позволяют управлять производительностью, точностью, а также качеством обработанной поверхности, прогнозировать характеристики и выявляют пути повышения эффективности процесса РОД сложнопрофильных отверстий; разработки критериев оценки геометрической сложности отверстий для способа РОД с учетом гидродинамики течения рабочей жидкости в межэлектродном зазоре (МЭЗ); интенсификации процесса РОД сложнопрофильных отверстий за счет использования разнорежимной РОД; разработки практических рекомендаций РОД сложнопрофильных отверстий и внедрение результатов исследования в производство.

Диссертация состоит из перечня условных обозначений, введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников, а также четырех приложений. Дается обзор современных способов электроэрозионной обработки (ЭЭО) отверстий и выбора направления исследования. Предлагается классификация отверстий по геометрическим параметрам, применительно к ЭЭО. Установлено, что полученные до данной работы двух-факторные математические модели технологических характеристик процесса РОД не отражают влияние геометрических параметров электродов, а поэтому не могут быть использованы для прогнозирования и научно обоснованного выбора режима РОД. Определены задачи исследования. Обосновывается выбор технологической схемы формообразования при прошивании и растачивании отверстий дугой, описывается последовательность и физический механизм формообразования. Описано методику построения математических моделей технологических характеристик процесса РОД отверстий для условий многофакторного планирования эксперимента. Впервые в качестве факторов в математических моделях, которые отражают технологические характеристики процесса прошивания и растачивания отверстий, используются такие геометрические параметры электродов, как площадь обработки, высота пояска на электроде-инструменте (ЭИ) и относительный диаметр отверстия в ЭИ. Приводится описание экспериментального оборудования. Выполняется анализ полученных математических моделей технологических характеристик; выявляется степень влияния переменных факторов на производительность и точность обработки, а также качество обработанной поверхности; объясняется физическая природа выявленных взаимосвязей. С целью оптимизации и интенсификации процесса РОД отверстий, предложены и разработаны критерии количественной оценки их геометрической сложности; разработаны методики расчета режимов обработки и геометрических параметров ЭИ для РОД отверстий разной геометрической сложности; предложен новый принцип организации потока в МЭЗ и способ РОД отверстий с наклонным дном (патент 22072 А); разработан технологический процесс РОД рабочего окна матрицы для прессования быстросменных пластинок из твердосплавного порошка, который, по сравнению с электроимпульсной обработкой, позволяет повысить производительность при прошивании в 2,6 раза, при растачивании – в 5 раз, и сократить общее время обработки в 3,3 раза. Показано, что одним из путей интенсификации процесса РОД сложнопрофильных отве-рстий является разнорежимная обработка. Предложен коэффициент интенсификации, выявлены классификационные признаки и разработана классификация способов разнорежимной РОД отверстий. Выполнен сравнительный анализ способов разнорежимной РОД отверстий. Показано, что наиболее эффективным является способ разнорежимной последовательной РОД отверстий одним двухступенчатым ЭИ. Экспериментально доказано, что данный способ по сравнению со способом однорежимной РОД позволяет сократить машинное время обработки круглого отверстия в 14 раз. С целью интенсификации процесса РОД сложно-профильных отверстий выполнена экспериментальная проверка возможности использования данного способа для обработки эксцентриковой мелкомодульной шлицевой втулки. Результаты обработки показали 9-кратное снижение машинного времени по сравнению с однорежимной РОД, что экономично обосновывает целесообразность использования данного способа для РОД сложнопрофильных отверстий.

Ключевые слова: размерная обработка дугой, сложнопрофильные отверстия, технологические характеристики, многофакторное планирование эксперимента, прогнозирование режимов обработки, прошивание и растачивание, разнорежимная обработка.

SUMMARY

Popova M. Technologic Forecasting of Technical Characteristics of the Process of Broaching and Boring of Holes by Electric Arc. – Manuscript.

Thesis on Acquisition of Academic Degree of Candidate of Science, Speciality 05.03.07 – Processes of Physicotechnical Treatment. – National Engineering University of Ukraine “Kiyiv Polytechnic Institute”, Kiyiv, 2001.

The thesis is devoted to development of theoretical and practical foundations of forecasting of technical characteristics of the process of dimensional broaching of holes by electric arc. In the process of development of the above foundations there were received multifactor simulators of technical characteristics. There were suggested criteria of quantitative estimation of geometrical complexities of holes. There was suggested a principle of hydrodynamic organization of the stream in the clearance and the method of treatment of slanting bottom holes with the electric arc. There was suggested a method of multi-operational rough and finished simultaneous treatment of by combined electrodes.

Key words: dimensional treatment by electric arc, holes, technical characteristics, multifactor scheduling of experiments, forecasting of treatment models, broaching and boring of holes, different regimen treatment.

Підписано до друку 19.12.2001. Формат 6084 1/16. Папір білий.

Надруковано на ризографі. Умов. друк. арк. 1,25. Зам №1435/2001. Тираж 100 прим.

РВВ. КДТУ. м. Кіровоград, пр. Університетський, 8, тел. 597-541, 559-245, 597-551.