НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

СТУПАК ДЕНИС ОЛЕГОВИЧ

УДК 621.9.048.4

оптимізація процесу енерговиділення
в міжелектродному проміжку для умов
електроерозійного дротяного різання

Спеціальність 05.03.07 - Процеси фізико – технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ-2002

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі комп’ютеризованих технологій високоефективної обробки матеріалів Черкаського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий
керівник: | доктор технічних наук, професор Поляков Святослав Петрович, Черкаський державний технологічний університет

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
Ляшенко Борис Артемович, Інститут проблем міцності НАН України

кандидат технічних наук, доцент

Боков Віктор Михайлович, Кіровоградський державний технічний університет

Провідна установа: | Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра різання металів та ріжучого інструменту

Захист відбудеться 20 травня 2002 р. о 1500 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, корпус 19, ауд. 417

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

Автореферат розісланий 18.04.2002 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради | Л.Ф. Головко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Номенклатура деталей сучасного машино- та приладобудування відрізняється мініатюрністю, складністю поверхонь, високими показниками точності та якості. Умови конкурентоспроможності вимагають від виробників скорочення строків та зниження вартості підготовки виробництва. Подальший розвиток технології обробки деталей електричними розрядами пов’язаний, насамперед, зі збільшенням продуктивності обробки за умови досягнення необхідної точності і якості поверхні.

В останні дванадцять років серед електроерозійного обладнання переважний розвиток мають електроерозійні вирізні верстати з ЧПК (ЕЕВВ) завдяки високій ефективності електроерозійного дротяного різання при виготовленні точних складноконтурних деталей.

Незважаючи на бурхливий розвиток автоматизації ЕЕВВ та створення швидкодіючих адаптивних систем керування процесами енерговиділення в міжелектродному проміжку (МЕП), досягнення високих кінцевих показників обробки здебільшого залежить від визначення оптимальних електричних та гідравлічних параметрів процесу різання, алгоритмів керування постійними часу роботи генератора технологічного струму на етапі проектування реального технологічного процесу. Це пов’язано з тим, що умовою отримання стабільних в часі та багаторазово повторюваних результатів електроерозійного дротяного різання є дотримання принципу адитивності, який виконується коли робоча частота проходження імпульсів менша за максимально можливу частоту для даного режиму різання.

Відомі методики розрахунку параметрів високопродуктивного дротяного різання не враховують двох основних факторів, властивих даній технології:

-

-

У зв’язку з цим, наукові дослідження спрямовані на створення методик розрахунку та оптимізації технологічних режимів електроерозійного дротяного різання з урахуванням реального теплового балансу енергії в МЕП та локальності її виділення є актуальними і мають велике практичне значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами університету: дослідження проводилися згідно з координаційним планом Міністерства освіти і науки України №43 на 1997-1999 р. “Підвищення продуктивності, точності та функціональних можливостей розмірної електроерозійної обробки непрофільованим дротяним електродом” та за темою “Розробка прогресивних технологій виготовлення деталей з використанням систем автоматизованого контролю” (номер державної реєстрації 0100V004420).

Мета роботи: підвищити продуктивність електроерозійного дротяного різання шляхом оптимізації процесу енерговиділення в міжелектродному проміжку.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:

- Аналіз основних фізико-технологічних параметрів процесу електроерозійного дротяного різання, що формують механізм обриву дроту.

- Розробка методики досліджень та експериментальне визначення розподілу енергії одиничного іскрового розряду в залежності від тривалості імпульсу та фізико-хімічних властивостей поверхневих шарів пари електродів.

- Визначення параметрів одиничних імпульсів, які забезпечують максимальні продуктивність різання та теплову асиметрію розряду для визначеної пари матеріалів “електрод-деталь”.

- Експериментальне моделювання термонапруженого стану дротяного електрода-інструмента (ДЕІ) при локалізованій дії групи розрядів з відомими енергетичними характеристиками та розробка багатофакторних моделей, які дозволяють розрахувати оптимальні енергетичні, гідродинамічні та часові параметри, що забезпечують максимальну продуктивність при безобривній обробці.

- Розробка математичної моделі теплового поля ДЕІ від локальної дії групи імпульсів.

- Створення програмних модулів для розрахунку та оптимізації просторово-часових параметрів енерговиділення в МЕП.

Об’єкт і предмет дослідження. Об’єктом дослідження є процес електроерозійного дротяного різання. Предметом дослідження є визначення параметрів електроерозійного дротяного різання, що забезпечують оптимальне енерговиділення в МЕП і дозволяють досягти максимальної продуктивності безобривної обробки.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися на основі загальних положень теорії електроерозійної обробки (ЕЕО), розробленої Б.М. Золотих, В.Ф. Іоффе, М.В. Коренблюмом. Експериментальні дослідження проводилися з використанням методів багатофакторного математичного планування експерименту з подальшою статистичною обробкою.

Наукова новизна. Вперше визначено кількісні параметри розподілу енергії іскрового розряду між електродами в залежності від тривалості імпульсу (1…3 мкс) та матеріалів поверхневих шарів електродів за умов, характерних для електроерозійного дротяного різання.

Вперше отримано експериментальні моделі, які дозволяють розрахувати, для визначеної пари матеріалів “електрод-деталь” та гідродинамічних умов в МЕП, параметри режиму обробки (тривалість імпульсу, амплітуду робочого струму, частоту проходження імпульсів, кількість імпульсів у групі, тривалість групової паузи), які забезпечують максимальну продуктивність зйому металу при безобривній обробці.

Математичним моделюванням процесу розповсюдження тепла вздовж ДЕІ при локальній дії джерела нагрівання встановлено, що за найбільш потужних режимів різання, нагрівання локальної ділянки латунного дроту до температури, при якій напруження в матеріалі перевищує межу міцності, можливе лише при значеннях коефіцієнту теплообміну з навколишнім середовищем < 4 Вт/(м2 град), що відповідає знаходженню ДЕІ в газопаровому середовищі.

Практичне значення отриманих результатів.

-

-

Особистий внесок здобувача. Автором розроблено методики та проведено експериментальні дослідження розподілу енергії одиничного імпульсу; створено багатофакторну модель залежності продуктивності обробки від енергетичних параметрів, геометричних розмірів та гідродинамічних умов в МЕП; побудовано математичну модель теплового стану ДЕІ. Спільно зі співробітниками Черкаського державного технологічного університету було створене програмне забезпечення, а результати досліджень впроваджено у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідались на міжнародній конференції “Технології ремонту машин та механізмів – Ремонт-98” (м. Київ, 1998) та 15-ій Щорічній Міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології в машинобудуванні” (м. Одеса, 2000).

Публікації. Результати дисертаційного дослідження відображено у 8 публікаціях: 3 статті у фахових виданнях, 3 патенти України, 2 тези доповідей на міжнародних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, переліку використаних джерел з 82 найменувань та 4 додатків.

Дисертаційна робота містить 144 сторінки машинописного тексту, 41 рисунок, 10 таблиць.

оСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційного дослідження, формулюються основні положення, що виносяться на захист, окреслюється наукова новизна та практична цінність роботи.

Перший розділ містить аналіз процесу енерговиділення в МЕП та методів досягнення високої продуктивності за безобривної обробки при електроерозійному дротяному різанні.

Процес електроерозійного дротяного різання (ЕЕДР) є багатофакторним. Основні фактори ЕЕДР можна поділити на групи: електричні (амплітуда струму (Iр), робоча напруга (Uр)), часові (частота проходження імпульсів (f), тривалість імпульсу (tі), кількість імпульсів у групі (nкр), тривалість групової паузи (tгр)), гідродинамічні (швидкість протікання робочої рідини в МЕП (Vрр), коефіцієнт тепловіддачі в робочу рідину ()), теплофізичні (теплоємність матеріалу (с), густина (), теплопровідність (), питома теплота випаровування (r)) та механічні (частота коливань ДЕІ (fкол), величина міжелектродного проміжку ()). Проблемі визначення оптимальних значень та співвідношень основних факторів електроерозійної обробки присвячено роботи Коренблюма В.М., Левіта М.Л. та інших дослідників. Ними створено вагомий теоретичний та експериментальний потенціал, спираючись на який, можливо оцінити вплив тих чи інших факторів та механізми ерозійного руйнування матеріалів і, відповідно, продуктивність, якість та точність процесу.

Однак ряд питань, що мають важливе значення як для теорії процесу, так і для практики, вирішено не в повному обсязі.

Аналіз робіт, виконаних в цій галузі, показав, що досі не існує залежностей, які б враховували комплексну дію основних факторів (хоча б на рівні багатофакторних моделей) на вихідні параметри процесу. Складність практичного визначення технологічно оптимальних параметрів реального процесу різання полягає в тому, що існуючі методики не враховують реальної теплової асиметрії розряду для конкретної пари матеріалів та локальності виділення енергії (ефект гніздування розрядів), що в більшості випадків забезпечує ймовірність безобривної обробки на рівні 60-70%. Виникнення навіть 1-2 обривів, при відсутності системи автоматичної заправки дроту, може збільшити час обробки на 20-100%.

У результаті аналізу наукових джерел в цій галузі були сформульовані задачі дисертаційного дослідження.

Другий розділ містить опис обладнання та методик, що були використані при проведенні експериментальних досліджень геометричних розмірів одиничних лунок, енергетичних показників одиничного імпульсу, термонапруженого стану ДЕІ та продуктивності обробки на розрахованих режимах.

Дослідження фізико-технологічних параметрів електроерозійного дротяного різання проводилось на серійному електроерозійному верстаті СЭЛД-02, що на різних етапах досліджень комплектувався спочатку серійним генератором ГКІ-300-200А, а потім генератором з модифікованим силовим блоком МГКІ-1.

Основні фактори ЕЕДР взаємоз’язані через робочу зону. Для максимально можливого наближення умов експерименту при дослідженні локальних явищ в МЕП до реального процесу різання автором було розроблено модельний осередок робочої зони (рис.1) та систему керування і реєстрації сигналів (рис.2), що дозволило керовано змінювати та фіксувати значення того чи іншого параметра електроерозійної обробки. Зворотній зв’язок забезпечувався за допомогою швидкодіючого АЦП L-1211 фірми L-Card з частотою дискретизації 10МГц.

Визначення геометричних параметрів одиничних лунок проводилось за допомогою електронного мікроскопа РЭМ-100У та металографічного мікроскопа МИИ-4.

Третій розділ присвячений аналізу фізико-технологічних закономірностей розподілу енергії одиничного іскрового розряду в МЕП.

Відомо, що енергія, яка надійшла в канал розряду, витрачається на такі фізичні процеси:

- пробиття міжелектродного проміжку та створення газової бульбашки (Екан);

- фазові перетворення (руйнування) матеріалу деталі ();

- нагрівання матеріалу деталі ();

- фазові перетворення (руйнування) матеріалу дротяного електрода ();

- нагрівання матеріалу дротяного електрода ().

Загальна енергія імпульсу може бути записана у вигляді

. (1)

Дослідженнями, проведеними Левітом М.Л., Лівшицем О.Л. та іншими авторами, встановлено:

1) Для величини міжелектродного проміжку менше 0,1 мм та тривалості імпульсу менше 10 мкс енергія, що витратилася в каналі розряду, знаходиться в межах 8...13% від загальної енергії імпульсу;

2) Співвідношення сумарних енергій, що виділились на електродах пропорційне співвідношенню енергій затрачених на їх руйнування;

3) Для тривалості імпульсу до 10 мкс і енергії одиничного імпульсу більше 0.01 мДж механізм руйнування електродів має вибухоподібний характер, при якому перегрівання парів матеріалу практично відсутнє, а кількість матеріалу, що видалився у вигляді пари знаходиться на рівні 90% від загального об’єму видаленого з електрода матеріалу.

Виходячи з цього, енергію, що була витрачена на руйнування електродів, можна визначити за формулами:

, (2)

, (3)

(4)

де V – об’єм матеріалу, видаленого з лунки; Ер, Еп –енергії, що були витрачені на видалення матеріалу електрода у рідкому та паровому стані (Еа(к)ф = Ер + Еп); h – глибина лунки; Rср – середній радіус лунки; c, с? - питома теплоємність матеріалу у твердому та рідкому стані; mр, mп – маса матеріалу, що видаляється в рідкому стані та у вигляді пари; - питома теплота плавлення матеріалу; T, Tґ - ?ізниці температур від нормальної до температури плавлення та від температури плавлення до температури випаровування; r – питома теплота випаровування.

Енергії, що були витрачені на нагрівання електродів, визначаємо за формулами:

. (5)

. (6)

Визначивши, за допомогою осцилографування струму та напруги з подальшим графічним інтегруванням, загальну енергію імпульсу та енергії, що були витрачені на фазові перетворення, можна знайти розподіл енергії в МЕП.

Експерименти проводились при ерозійному руйнуванні сталі 45 (ГОСТ 1050-88) на прямій полярності з використанням модельного осередку (рис.1) та схеми для дослідження локальних ерозійних явищ (рис. 2).

Для дослідів було обрано три типи електродів – латунний дріт марки ДКРПМ ФКТЛ – 63 (ДЕІ №1), латунний дріт фірми AGIE з цинковим покриттям (ДЕІ №2) та модифікований латунний дріт з оксидним покриттям складу 60…65% Cu2O, 25…30% CuO, 7…10% ZnO (захищений патентом №32707А), виготовлений за способом, захищеним патентом №33600А (ДЕІ №3).

Результати проведених експериментів подано на рис. 3-5. Аналіз отриманих залежностей показав, що розподіл енергії одиничного іскрового розряду здебільшого визначається загальною енергією і тривалістю імпульсу та матеріалом поверхневих шарів ДЕІ.

Встановлено, що зйом матеріалу анода, при однаковій тривалості розряду, зростає прямопропорційно підвищенню сумарної енергії імпульсу та залежить від матеріалу катода (рис. 3).

Рис. 3. Залежність розміру одиничної лунки на деталі від енергії імпульсу і матеріалу ДЕІ:
1 – латунний дріт без покриття; 2 – латунний дріт з цинковим
покриттям; 3 – латунний дріт з покриттям із оксидів цинку та міді.

В умовах проведених експериментів при тривалості імпульсу 2,3 мкс найбільше руйнування анода спостерігалось при використанні ДЕІ фірми AGIE. Найменше – при використанні латунного дроту без покриття.

Зміна тривалості імпульсу призводить до зміни розподілу енергії розряду. Більш того, характер даного розподілу знову ж суттєво визначається теплофізичними властивостями матеріалу поверхневих шарів ДЕІ (рис. 4).

Таким чином, можна вважати встановленим, що теплофізичні властивості поверхневих шарів матеріалу ДЕІ не тільки визначають ерозійну стійкість останнього, але і суттєво впливають на розподіл енергії в МЕП. Тобто, зміною матеріалу поверхневих шарів ДЕІ можна досягти зменшення теплового навантаження на ДЕІ і, відповідно, досягти більшої продуктивності обробки, як за рахунок використання імпульсів з більшою енергією, так і використанням режимів з підвищеною частотою проходження розрядів.

З п’яти складових енергії іскрового розряду безпосередній вплив на продуктивність обробки мають та . Перша визначає руйнування деталі, друга обмежує потужність, що вводиться в міжелектродний проміжок. Очевидно, що з точки зору максимальної продуктивності обробки найбільш оптимальними будуть режими, при яких . Для тривалості імпульсу 1 мкс для ДЕІ №1 (рис.4,а) = 0,585, для ДЕІ №2 (рис.4,б) – 2,80, для ДЕІ №3 (рис.4,в) – 2,87.

Характерно, що для вибраного матеріалу ДЕІ, одну і ту ж енергію фазових перетворень (руйнування) анода і, відповідно, продуктивність обробки, можливо отримати при використанні різної сумарної енергії розряду (рис. 5). Так, для тривалості імпульсів від 1 до 3 мкс при обробці ДЕІ з оксидним покриттям енергію фазових перетворень в 1 мДж можна отримати при використанні імпульсів енергією від 4 до 12 мДж.

Рис. 4. Залежність розподілу енергій іскрового розряду від тривалості імпульсу

(матеріал аноду – сталь 45, діапазон енергій імпульсу 2,5…3 мДж, ДЕІ: а – латунний дріт ДКРПМ ФКТЛ-63; б – дріт AGIE; в – латунний дріт з оксидним покриттям по пат.32707А)

Виходячи з рис. 3-5, для кожної пари матеріалів поверхневих шарів ДЕІ були знайдені зони зміни оптимальних параметрів (тривалості імпульсу, сили робочого струму, енергії одиничного імпульсу), при яких буде відбуватись переважне руйнування деталі, тепловий вплив на ДЕІ буде мінімальним, а продуктивність обробки – максимально можливою і реалізація режимів забезпечується параметрами існуючого обладнання.

Рис. 5. Залежність енергії, витраченої на руйнування матеріалу, від тривалості імпульсу та загальної енергії імпульсу для латунного електроду з оксидним покриттям

Четвертий розділ присвячений експериментальному моделюванню термонапруженого стану ДЕІ від дії групи розрядів з відомими енергетичними показниками, побудові багатофакторних моделей, що пов’язують енергетичні, гідродинамічні та часові параметри імпульсів із продуктивністю обробки.

Експерименти проводилися з використанням модельного осередку (рис.1) та схеми для дослідження локальних ерозійних явищ (рис. 2). Кількість імпульсів, яку необхідно реалізувати на проміжку, задавалась програмуванням, а кількість імпульсів та їх енергетичні показники фіксувались за допомогою блоку зворотного зв’язку. Режим вважався безобривним, якщо при проведенні двадцяти контрольних серій не відбулося обриву ДЕІ.

Для кожного енергетичного режиму (тривалість імпульсу, амплітуда робочого струму та частота проходження імпульсів) було визначено критичну кількість імпульсів, проходження яких в мінімально можливій локальній зоні гарантовано не призводить до руйнування ДЕІ заданого діаметра при відомих гідродинамічних умовах в МЕП.

Після проведення багатофакторного експерименту та обробки даних, були отримані статистичні моделі, що зв’язують критичну кількість імпульсів з основними факторами процесу:

- для латунного ДЕІ з оксидним покриттям

(7)

- для латунного ДЕІ без покриття

(8)

- для латунного ДЕІ з цинковим покриттям фірми AGIE

(9)

де x1 – тривалість імпульсу (1,0 мкс – 2,2 мкс); x2 - амплітуда робочого струму (40 А – 120 А); x3 - швидкість руху робочої рідини в МЕП (6,4 м/с – 12,8 м/с); x4 - діаметр ДЕІ (0,2 мм – 0,3 мм); x5 - частота проходження імпульсів (44 кГц – 132 кГц). У рівняннях (4)-(6) використовуються кодовані значення факторів, що змінюються в межах [-1;+1]. Кодовані значення факторів пов’язані з реальними факторами рівняннями: х1 = 1,667*(Х1 – 1,6); х2 = 0,025*(Х2 – 80); х3 = 0,3125*(Х3 – 9,6); х4 = *(Х4 – 0,25); х5 = 0,0227*(Х5 – 88).

Крім визначення критичної кількості імпульсів, необхідно знати групову паузу, тривалості якої буде достатньо для відновлення нормального теплового стану ДЕІ. Ця пауза не залежить від енергетичних параметрів імпульсу, а залежить лише від умов охолодження, тобто від швидкості, з якою рідина омиває поверхню ДЕІ. Ці дані можна отримати за допомогою математичної моделі (розділ 5), задавши режим охолодження та початковий тепловий стан дроту (рис. 6).

Рис. 6. Розрахункова залежність максимальної температури на поверхні ДЕІ при різних значеннях швидкості робочої рідини: 1 – 6,4 м/с; 2 - 9,6 м/с; 3 - 12,8 м/с

Вважатимемо, що термонапружений стан ДЕІ відновлено, якщо температура на поверхні ДЕІ не перевищує 150С. Саме при такому значенні температури межа міцності латуні знаходиться на рівні 90% від межі міцності при температурі 20С. Таким чином, ДЕІ здатен витримати теплове навантаження від наступної групи імпульсів, навіть за умови, що вона реалізується в тому ж місці ДЕІ. Отриману залежність часу групової паузи від швидкості робочої рідини запишемо рівнянням:

. (10)

Залежності, що описуються формулами (7) - (10), було закладено в експериментальну систему керування генератором МГКІ-1 та розроблено план експериментів (план Хартлі 5 ступеня) для визначення реальної продуктивності безобривної обробки. Після проведення процесу різання було визначено об’єм матеріалу деталі, що був видалений, і розраховано досягнуту продуктивність різання.

Статистичний аналіз експериментальних даних дозволив отримати рівняння регресії, що пов’язують продуктивність обробки Q з факторами режиму різання:

- для латунного ДЕІ з оксидним покриттям

(11)

- для латунного ДЕІ без покриття

(12)

- для латунного ДЕІ з цинковим покриттям фірми AGIE

(13)

де x1 – тривалість імпульсу; x2 - амплітуда робочого струму; x3 - швидкість руху робочої рідини в МЕП; x4 - діаметр ДЕІ; x5 - частота проходження імпульсів.

Для вибору оптимальних значень параметрів обробки запропоновано таку послідовність:

· виходячи з товщини деталі та тиску робочої рідини, що визначається схемою обробки і параметрами гідросистеми верстата, розраховуємо мінімальну швидкість протікання робочої рідини через проміжок;

· з необхідної шорсткості поверхні визначаємо максимальну амплітуду струму та допустимий діаметр ДЕІ;

· будуємо залежність продуктивності обробки від тривалості імпульсу та частоти проходження імпульсів за формулами (11), (12) або (13) і визначаємо точку максимальної продуктивності (рис. 7);

· за отриманими значеннями параметрів встановлюємо критичну кількість імпульсів за формулами (7), (8) або (9) та тривалість групової паузи (10);

· прогнозуємо продуктивність обробки, а отримані значення параметрів заносимо в блок адаптивного керування генератором технологічного струму.

Отримані результати продуктивності обробки при різанні сталі різної товщини наведено на рис. 8. На тому ж графіку для порівняння наведено дані, отримані в роботі Осипенка В.І. для генератора технологічного струму ГКІ 300-200А (крива 1).

З рис.8 видно, що оптимізація часових параметрів енерговиділення (крива 2) дозволяє в 1,2…1,3 рази підвищити продуктивність обробки; оптимізація енергетичних параметрів одиничних розрядів разом із підтриманням необхідних гідродинамічних умов на проміжку та часових параметрів енерговиділення дозволяє вже в 1,5…1,8 рази підвищити продуктивність обробки (крива 3). Менший приріст продуктивності на товщині деталі 40…50 мм зумовлений зменшенням швидкості робочої рідини в середньому перерізі деталі, що погіршує умови промивання і не дозволяє застосовувати енергетично навантажені режими.

Рис. 8. Залежність продуктивності обробки від товщини деталі: 1 – оптимізація режимів обробки за величиною постійної складової температурного поля ДЕІ (ГКІ-300-200А, tі=3.2мкс, Iр=52A, Vрр =6.4 м/с, Т = 85С); 2 – оптимізація часових параметрів енерговиділення за запропонованою методикою (ГКІ-300-200А, tі=3.2мкс, Iр=52A, Vрр = 6.4 м/с); 3 – оптимізація часових, електричних та гідродинамічних параметрів режиму різання (МГКІ-1, tі=1мкс, Iр=120A, Vрр =9.6 м/с)

Рис. 7. Розрахункова залежність продуктивності обробки від частоти проходження та тривалості імпульсу

Таким чином у результаті експериментальних досліджень отримано математичну залежність продуктивності електроерозійного дротяного різання від електричних та часових параметрів імпульсів, геометричних розмірів ДЕІ та гідродинамічних умов у міжелектродному проміжку, яка дозволяє визначити оптимальні сполучення параметрів, що забезпечують максимальну продуктивність безобривної обробки при отриманні заданої якості поверхні.

П’ятий розділ присвячений розробці математичної моделі та створенню програмного забезпечення для оцінки теплового поля, що виникає в ДЕІ від дії одиничного імпульсу та локалізованої дії групи імпульсів.

Через неможливість прямого вимірювання теплового поля в ДЕІ, для оцінки теплового стану ДЕІ від дії групи імпульсів та прогнозування умов, що можуть призвести до обриву ДЕІ, необхідно розробити математичну модель, яка б якомога точніше описувала тепловий стан ДЕІ.

У температурному полі ДЕІ виділяють дві складові: постійну, нерухому відносно ДЕІ, та локальну, що виникає від локальної дії групи імпульсів.

Для визначення локальної складової температурного поля необхідно, крім теплового навантаження, врахувати охолодження ДЕІ робочою рідиною, зміну теплофізичних параметрів матеріалу ДЕІ від температури та видалення матеріалу електродів.

Розглядатимемо процес як задачу про нагрівання нескінченого циліндра аперіодичним джерелом енергії в довільній точці поверхні, охолодження шляхом теплопровідності вглиб матеріалу електрода та теплообміну з робочою рідиною.

Систему диференційних рівнянь, що описує розповсюдження тепла в ДЕІ, запишемо у вигляді:

(15)

Тепловий вплив на ДЕІ не є постійним. Більш того, при обробці матеріалу час проходження імпульсів завжди не є періодичним, а точка проходження розряду визначається методами теорії ймовірності. Тому аналітичне розв’язання системи рівнянь є складним і недоцільним.

Для проведення чисельного розв’язання системи рівнянь було обрано метод кінцевих різниць, як один із зручних методів для програмування, та такий, що дає невелику похибку. Для чисельних розрахунків розроблена програма на мові програмування Qbasic 4.5.

Застосування розробленого програмного забезпечення дозволило оцінити значення локальної температури перерізу ДЕІ для різних енергетичних навантажень при фіксованому та змінному значенні коефіцієнта тепловіддачі та отримати рівняння (10) для розрахунку оптимальної тривалості групової паузи. Проведені чисельні експерименти довели, що за найбільш потужних режимів різання нагрівання ділянки дроту до температури, при якій напруження в ДЕІ перевищують межу міцності, можливе лише за умови знаходження локальної ділянки ДЕІ в газопаровому середовищі.

Результати досліджень, отримані в розділах 3-5 даної роботи, були використані приватною науково-виробничою фірмою “Араміс” (м.Черкаси) при розробці силового блоку та системи адаптивного керування генератора технологічного струму МГКІ-1.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У роботі розроблено теоретичні та експериментальні основи проектування і оптимізації режимів електроерозійного дротяного різання, які забезпечують в залежності від параметрів обладнання та конкретних умов обробки підвищення продуктивності різання сталі на 20-80% при ймовірності безобривної обробки на рівні 92-95%.

2. Експериментально встановлено зону тривалостей імпульсів та амплітуд струму, що забезпечують максимальну теплову асиметрію одиничного іскрового розряду при обробці сталі латунним дротяним електродом марки ДКРПМ ФКТЛ-63, латунним дротом фірми „AGIE” з цинковим покриттям, модифікованим латунним дротом з цинковим покриттям (пат. № 32707А). Показано, що модифікацією фізико-хімічних властивостей поверхневих шарів електродів можливо змінювати не тільки ерозійну стійкість останніх, але і параметри розподілу енергії одиничного іскрового розряду в МЕП.

3. Вперше отримано експериментальні статистичні багатофакторні моделі, які дозволяють розрахувати, для визначеної пари матеріалів “інструмент-деталь” та гідродинамічних умов в МЕП, параметри режиму обробки (тривалість імпульсу, амплітуду робочого струму, частоту проходження імпульсів, кількість імпульсів в групі, тривалість групової паузи), які забезпечують при вірогідності безобривної обробки 92-95% максимальну продуктивність зйому металу.

4. Удосконалено методику розрахунку локальної змінної складової температурного поля ДЕІ з урахуванням температурної залежності теплофізичних властивостей матеріалу дроту.

5. Розроблено пакет прикладних програм, що дозволяють в автоматичному режимі виходячи з параметрів заданих кресленням на деталь (матеріал, товщина, шорсткість поверхні, точність розмірів) та характеристик технологічних систем ЕЕВВ розрахувати оптимальні енергетичні, гідродинамічні та часові параметри конкретного технологічного процесу різання. САПР забезпечує скорочення часу розробки керуючих програм в 1,5-2 рази.

6. Результати виконаних досліджень використані при визначенні вихідних параметрів силового блоку та алгоритмів адаптивного керування постійними часу роботи нового генератора МГКІ-1, розробленого науково-виробничою фірмою “Араміс”, м. Черкаси.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні положення дисертації опубліковано в таких роботах:

1. Осипенко В.І., Поляков С.П., Ступак Д.О. Підвищення продуктивності електроерозійного вирізання// Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 1998. - №1. – С. 77-82.

2. Осипенко В., Пилипенко О., Ступак Д. Підвищення ерозійної стійкості латунних дротяних електродів// Машинознавство. – 1998. – №2. – С. 17-19.

3. Ступак Д.О., Осипенко В.І., Калєйніков Г.Є., Поляков С.П. Дослідження механізмів виникнення обриву дротяного електрода при електроерозійному різанні// Вісник ЧІТІ. – 2000. - №4. – С.105-109.

4. Осипенко В.І., Поляков С.П., Ступак Д.О. Витрати робочої рідини через міжелектродний проміжок при електроерозійному дротяному вирізанні// Материалы международной конференции “Технологии ремонта машин и механизмов. Ремонт-98”. – Киев. – 1998. – C.52-54.

5. Ступак Д.О., Небилиця Ю.М., Осипенко В.І. Дослідження процесів виділення енергії в МЕП// Материалы 15-й Ежегодной Международной научно-технической конференции “Прогрессивные технологии в машиностроении”. – Одесса. – 2000. – C. 236-237.

6. Пат. 33600 А, МПК 6 В23К35/00. Спосіб виготовлення металевих електродів інструментів для електроерозійної обробки./ Лукашенко В.М., Осипенко В.І., Поляков С.П., Ступак Д.О.; Черкаський інженерно-технологічний інститут; Заявл. 16.03.99; Опубл. 15.02.2001, Бюл. №1

7. Пат. 40017А, МПК 6 В23Н7/02. Спосіб електроерозійного вирізання внутрішніх кутів деталей/ Осипенко В.І., Поляков С.П., Ступак Д.О; Черкаський інженерно-технологічний інститут; Заявл. 13.02.98; Опубл. 16.07.01, Бюл.№6

8. Пат. 32707 А, МПК 6 В23Н7/08. Електрод-дріт для електроерозійної обробки матеріалів / Осипенко В.І., Поляков С.П., Ступак Д.О.; Черкаський інженерно-технологічний інститут; Заявл. 15.02.98; Опубл. 15.02.2001, Бюл.№1.

АНОТАЦІЯ

Ступак Д.О. Оптимізація процесу енерговиділення в міжелектродному проміжку для умов електроерозійного дротяного різання. – 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”, м. Київ, 2002.

Дисертація присвячена підвищенню продуктивності електроерозійного дротяного різання шляхом оптимізації електричних, гідродинамічних та часових параметрів процесу енерговиділення в міжелектродному проміжку. Створено математичну модель, що дозволяє оцінити тепловий стан дротяного електрода-інструмента при локалізованій дії гнізда розрядів. Отримано кількісні показники асиметрії іскрового розряду для різних пар матеріалів електродів, показано вплив на них тривалості імпульсу та амплітуди робочого струму. Створено багатофакторні моделі, що визначають оптимальні енергетичні, часові та гідродинамічні параметри електроерозійного різання. Запропоновано послідовність розрахунку оптимальних параметрів реального технологічного процесу різання. Отримані результати дали можливість сформулювати вимоги та розробити порівняно дешевий та ефективний генератор технологічного струму з системою керування параметрами енерговиділення, алгоритми роботи якої визначаються розробленими багатофакторними моделями.

Ключові слова: дротяний електрод, міжелектродний проміжок, продуктивність, енерговиділення, асиметрія розряду, багатофакторне планування експерименту.

АННОТАЦИЯ

Ступак Д.О. Оптимизация процесса энерговыделения в межэлектродном промежутке для условий электроэрозионного проволочного резания. – 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, 2002

Диссертация посвящена повышению производительности электроэрозионного проволочного резания путем оптимизации электрических, гидродинамических и временных параметров процесса энерговыделения в межэлектродном промежутке. В работе проведен анализ физико-технологических особенностей электроэрозионного проволочного резания, методов генерирования импульсов и влияния параметров режима обработки на производительность резания, рассмотрены условия теплообмена на поверхности проволочного электрода-инструмента и математические модели, позволяющие оценить его тепловое состояние. На основании анализа выявлено, что при решении тепловых задач не учитывается, или учитывается с помощью оценочных коэффициентов, реальная тепловая асимметрия искрового разряда, а также при оценке теплового поля проволочного электрода и расчете режимов электроэрозионного проволочного резания не учитывается эффект гнездования разрядов.

В работе проводились исследования с тремя наиболее распространенными типами проволочных электродов: латунная проволока марки ДКРПМ ФКТЛ-63, латунная проволока с цинковым покрытием фирмы AGIE и латунная проволока с оксидным покрытием состава 60…65% Cu2O, 25…30% CuO, 7…10% ZnO диаметром 0.15 мм, 0.2 мм, 0.25 мм, 0.3 мм. Другие типы проволок рассматривались, но не исследовались из-за меньшего распространения на отечественных предприятиях.

Проведенные исследования позволили установить для конкретных пар материалов поверхностных слоев электродов зависимость реальной тепловой асимметрии искрового разряда от длительности и амплитуды импульса тока. В работе показано, что уменьшение длительности искрового разряда приводит к перераспределению энергии между электродами в сторону увеличения износа детали и уменьшения теплового воздействия на проволочный электрод-инструмент. Это дает возможность повысить производительность обработки как за счет увеличения разрушения детали единичным импульсом, так и проведением обработки с более высокой частотой следования импульсов.

Для каждого типа проволочного электрода были определены зоны оптимальных параметров длительности импульса и амплитуды рабочего тока, скоростей протекания рабочей жидкости в межэлектродном промежутке и частоты следования импульсов. Для этих зон были построены многофакторные модели, связывающие параметры режимов обработки и допустимое количество импульсов, прохождение которых на локальном участке межэлектродного промежутка с вероятностью 92…95% не приведет к обрыву проволочного электрода. Это дает возможность определить максимальную тепловую нагрузку, которую способен выдержать проволочный электрод для данных условий обработки.

Определение групповой паузы, длительности которой достаточно для восстановления теплового состояния проволочного электрода и гидродинамических условий в локальном месте межэлектродного промежутка, позволяет задать временные характеристики и составить алгоритмы работы адаптивного управления генератором технологического тока.

В работе построены многофакторные модели, связывающие производительность электроэрозионного проволочного резания с параметрами режима обработки, предложена последовательность расчета оптимальных параметров резания для достижения максимальной производительности при заданной шероховатости поверхности и гарантированном отсутствии обрывов электрода при обработке.

В связи с невозможностью прямого или косвенного измерения температуры локального места проволочного электрода инструмента, создана математическая модель, позволяющая оценить тепловое состояние проволочного электрода-инструмента при локальном действии гнезда разрядов. Расчеты по данной модели подтвердили гипотезу о том, что обрыв проволочного электрода происходит только при условии нахождения локального участка проволоки в газопаровой смеси; при значениях коэффициента теплоотдачи от проволоки в окружающую среду, соответствующему жидкости, температура локального участка проволоки не превышает критической температуры, достаточной для обрыва электрода.

Полученные результаты позволили сформулировать требования и создать сравнительно дешевый и эффективный генератор технологического тока с системой управления параметрами энерговыделения, алгоритмы которой определяются разработанными многофакторными моделями.

Ключевые слова: проволочный электрод, межэлектродный промежуток, производительность, энерговыделение, асимметрия разряда, многофакторное планирование эксперимента.

SUMMARY

Stupark D.O. – Optimisation of the energy emission process in the interelectrode interval for the condition of electrodischarge wire cutting. – Manuscript.

Dissertation submitted for Candidate of technical sciences degree, speciality 05.03.07 – process of physic-technical machining – The National Ukraine Technical University “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2002.

The dissertation is devoted to the raisity of the productivity of the electro discharge wire cutting by optimisation of electric, hydrodynamic and temporal parameters of the energy emissionоn process in the interelectrode interval. The mathematical model, that allows to assess the thermal state of the wire electrode-instrument under the local action of the jack discharge. The quantitative indexes of asymmetry of discharge for different pairs of electrodes and their dependence on the duration of the impulse and the amplitude of the strain are obtained. Multifactor models, that determine the optimum electric, temporal and hydrodynamic parameters of the electro discharge cutting are founded. The succession of calculation of the real technological process of cutting is introduced. The obtained results have given the opportunity to formulate the demands and to work out a comparatively cheap and effective generator of technological current with the energy emission guidance system, the algorithms of work of witch are determined by the developed multifactor models.

Key words: wire electrode, interelectrode interval, productivity, energy emission, asymmetry of discharge, multifactor planning of experiment.