НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

КАЛЕЙНІКОВ Геннадій Євгенійович

УДК 621.9.048.4

ЕЛЕКТРОЕРОЗІЙНЕ ДРОТЯНЕ ВИРІЗАННЯ В СЕРЕДОВИЩІ

ВОДНИХ РОЗЧИНІВ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН

Спеціальність 05.03.07 – Процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ-2003

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, завідувач кафедри комп’ютеризованих технологій високоефективної обробки матеріалів.

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

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Анякін Микола Іванович, Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, старший науковий співробітник кафедри ЛТКМ.

Провідна установа: | Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, відділ плавки та рафінування сплавів (м. Київ)

Захист дисертації відбудеться 16 червня 2003 р. о 1500 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 при Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, 03056, Київ-56, пр. Перемоги 37, корп.19, ауд.417.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги 37.

Автореферат розіслано “ 13 ” травня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15

д.т.н., професор Головко Л.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Необхідною умовою прогресу промислового виробництва є вдосконалення інструментального обладнання, значну частину якого складають електроерозійні вирізні верстати. Номенклатура деталей, які можливо отримати за допомогою електроерозійного дротяного вирізання, внаслідок унікальності процесу обробки з кожним роком набуває все більшого розмаїття. Проблема підвищення продуктивності та якості електроерозійного дротяного вирізання (ЕЕДВ) зберігає свою актуальність на сучасному етапі розвитку техніки.

В останні роки як в Україні так і у всьому світі, сформувалася тенденція, коли більшість розробників електроерозійних верстатів приділяють основну увагу розробці нових, більш досконалих вузлів, нових типів генераторів, алгоритмів керування та ін. В результаті поза увагою залишаються окремі аспекти основоположних фізико-хімічних процесів, що протікають в міжелектродному проміжку (МЕП) при електроерозійному дротяному вирізанні. Внаслідок цього невикористаним резервом є суттєве покращення технічних і технологічних показників верстатів за рахунок керованої зміни фізико-хімічних властивостей робочого середовища електроерозійної обробки. Надзвичайно перспективним є використання водних розчинів поверхнево-активних речовин (ВР ПАР) в якості робочої рідини.

Утворення полярних плівок ПАР на поверхні каналу іскрового розряду веде до зміни просторово-енергетичних характеристик каналу розряду, що дає можливість оптимізувати енерговиділення в каналі, зменшити шорсткість та покращити якість оброблених поверхонь. Наявність плівок на електродах суттєво зменшує опір протіканню робочої рідини в міжелектродному проміжку та змінює умови теплообміну на електродах.

В зв’язку з цим наукові дослідження процесів ЕЕДВ в середовищі ВР ПАР являють значний науковий та практичний інтерес. Дослідження в даній області дозволять з інших позицій підійти до проблеми підвищення технологічних показників електроерозійного дротяного вирізання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами: дослідження проводилися згідно з держбюджетною темою “Розробка прогресивних технологій виготовлення деталей з використанням систем автоматизованого контролю” (номер державної реєстрації 0100V004420).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи: підвищити якість та продуктивність електроерозійного дротяного вирізання шляхом зміни гідравлічних та теплофізичних умов в міжелектродному проміжку за рахунок використання в якості робочої рідини водних розчинів поверхнево-активних речовин.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються такі задачі: –

провести аналіз основних фізико-хімічних властивостей робочої рідини (води), зміна яких при використанні водних розчинів поверхнево-активних речовин дає можливість підвищити технологічні показники електроерозійного дротяного вирізання;–

обґрунтувати вимоги до колоїдних властивостей складу робочої рідини та вибрати конкретні ПАР для проведення експериментальних та теоретичних досліджень процесу ЕЕДВ;–

розробити методики та пристрої для експериментального дослідження гідродинамічних процесів в міжелектродному проміжку при ЕЕДВ;–

отримати та експериментально перевірити математичну модель розрахунку просторово-енергетичних характеристики каналу розряду для досягнення максимальної продуктивності обробки;–

використовуючи розроблену модель, встановити закономірності впливу ПАР на просторово-енергетичні характеристики каналу іскрового розряду;–

теоретично та експериментально визначити параметри швидкості робочої рідини в МЕП для досягнення максимального теплообміну на поверхні дротяного електроду-інструменту (ДЕІ);–

розробити технологічні рекомендації щодо типу та концентрації ПАР в робочій рідині для досягнення максимальної продуктивності та якості обробки.

Об’єкт і предмет дослідження. Об’єктом дослідження є процес електроерозійного дротяного вирізання в середовищі ВР ПАР. Предметом дослідження є визначення впливу водних розчинів ПАР на гідравлічні та теплофізичні процеси в МЕП, обґрунтування вимог та критеріїв вибору домішок ПАР, як засобу для суттєвого покращення технологічних характеристик ЕЕДВ.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися на основі теорії електроерозійної обробки розробленої Б.М. Золотих, положень гідравліки, методів математичного моделювання на ПК. Експериментальні дослідження проводились на спеціалізованому електроерозійному обладнанні з використанням сучасної реєструючої та вимірювальної апаратури.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному: –

Вперше отримано аналітичну залежність, яка зв’язує об’єм видаленого матеріалу з просторово-енергетичними характеристиками каналу іскрового розряду при фіксованих тривалостях (1-3 мкс) та енергіях імпульсів (2-4 мДж) з врахуванням реального співвідношення випареної та рідкої фаз, а також теплоти відведеної в тіло деталі.–

Встановлено, що при ЕЕДВ в середовищі водних розчинів ПАР спостерігається підвищення коефіцієнту теплообміну з робочою рідиною на поверхні дротяного електроду-інструменту в 1,8-2,2 рази за рахунок інтенсифікації промивання міжелектродного проміжку та зміни умов охолодження при утворенні адсорбційних плівок ПАР на поверхні електродів. –

Сформульовано вимоги до типу та фізико-хімічних властивостей ПАР (величина поверхневого натягу, критична концентрація міцелоутворення, товщина адсорбційних шарів, в’язкість ВР ПАР), за яких досягається максимальна продуктивність зйому металу.

Практичне значення одержаних результатів: –

Використання при електроерозійному дротяному вирізанні в якості робочої рідини ВР ПАР із запропонованими колоїдними властивостями дозволяє підвищити продуктивність обробки до 1,5 рази, отримати шорсткість поверхні сталі Rа=2,3-2,5 мкм за один технологічний прохід. В результаті загальний час обробки скорочується в 1,2-1,8 разів.–

Результати теоретичних та експериментальних досліджень використані при розробці технологічних інструкцій до електроерозійних вирізних верстатів СЕЛД-02, впроваджених на державному авіаремонтному підприємстві „Міг-Ремонт” м. Запоріжжя.

Особистий внесок здобувача. Автором проведено моделювання ерозійного зносу при зміні просторово-енергетичних характеристик каналу іскрового розряду; вивчено особливості протікання іскрового розряду в середовищі ВР ПАР; розроблено методики та проведені експериментальні дослідження процесів утворення та винесення газопарових бульбашок з МЕП; уточнено рівняння для розрахунку теплообміну на поверхні електродів; досліджено вплив ПАР на гідродинамічні характеристики протікання робочої через МЕП при коаксіальній промивці. Спільно із співробітниками Черкаського державного технологічного університету результати досліджень впроваджено у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідались на міжнародній конференції “Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машиностроении” (г. Киев, 2000), третій міжнародній конференції „Эффективноcть реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (п. Славское, 2003), третьому міжнародному семінарі „Современные проблемы подготовки производства, обработки и сборки в машиностроении и приборостроении” (г. Свалява, 2003).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 9 працях: 5 статей у фахових журналах, 1 патент України, 3 тези доповідей на міжнародних наукових конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, переліку використаних джерел з 90 найменувань та 2 додатків.

Дисертаційна робота містить 138 сторінок машинописного тексту, 46 рисунків, 6 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкривається суть, стан та актуальність наукової проблеми. Обґрунтовано вибір об’єкта та предмета дослідження. Сформульовано мету і задачі дослідження, коротко розглянуто методи дослідження, зазначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про особистий внесок здобувача, апробацію результатів роботи, публікації, структуру та обсяг дисертації.

У першому розділі наведено аналіз існуючих літературних джерел щодо впливу фізико-хімічних властивостей робочих рідин на параметри ЕЕДВ. Проблемі дослідження впливу поверхнево-активних речовин на процес електроерозійної обробки присвячено роботи Мещерякова Г.Н, Мая Л.В., Абдукаримова Е.Т. та інших дослідників. Ними створено вагомий теоретичний та експериментальний потенціал, який є основою для проведення подальших досліджень в цій галузі. Однак ряд питань, що мають важливе значення як для теорії процесу, так і для практики, вирішені не в повному обсязі. Розглянуті лише окремі ефекти, які спостерігаються за умов характерних для прошивної електроерозійної обробки. Так зокрема, не враховується вплив полярних плівок ПАР, що утворюються на поверхні каналу розряду та електродах на зміну просторово-енергетичних характеристик іскрового розряду, недостатньо вивчено вплив ПАР на зменшення гідравлічного опору протіканню робочої рідини в міжелектродному проміжку та зміну умов теплообміну на поверхні електродів.

В результаті аналізу літературних джерел сформульовано задачі наукового дослідження.

У другому розділі наведено опис обладнання та методик, які були використані при проведенні експериментальних досліджень поверхонь одиничних ерозійних лунок, гідродинамічні характеристики протікання робочої рідини, руху газопарових бульбашок в МЕП та колоїдних властивостей ВР ПАР.

Дослідження фізико-технологічних параметрів електроерозійного дротяного вирізання проводилося на серійному електроерозійному верстаті СЕЛД-02, який на різних етапах комплектувався генераторами технологічного струму ГКИ-300-200А та МГКІ-1.

Для вимірювання швидкості робочої рідини, а також дослідження процесів утворення та винесення газопарових бульбашок з МЕП, було розроблено модельний осередок, що імітував умови реальної обробки (рис.1) та оптичну методику (рис.2). Інформацію про процеси, що протікають в МЕП, отримано за допомогою цифрової фотокамери SONY F-907.

Рис. 1. Схема модельного осередку: 1 – сталева пластина, що імітує деталь, 2,7 – прозорі пластини, 3 – ДЕІ, 4 – напрямні ДЕІ, 5 – система подачі рідини, 6 – входи диф. манометра. | Рис. 2. Схема оптичної методики: 1 – фотокамера, 2 – прозоре віконце в дверцятах ванни, 3 – модельний осередок, 4 – кришка для збору газових бульбашок, 5 – струмопідвід, 6 – робоча рідина, 7 – лампа освітлення, 8 – ванна.

Тривимірні геометричні параметри одиничних ерозійних лунок вивчалися за допомогою трикоординатного цифрового мікроскопу XS2-H3 з використанням ефекту нелінійності, який спостерігається при введенні зображень через цифрові оптичні пристрої.

Колоїдні властивості водних розчинів поверхнево-активних речовин визначалися за допомогою мікроінтерферометра МИИ-4, віскозиметра ВПЖТ-4, аналітичних терезів ВЛР-200г-М, та мікроскопу ЦИМ-21.

Третій розділ присвячений математичному моделюванню ерозійного руйнування електроду при зміні просторово-енергетичних характеристик каналу іскрового розряду. Дослідження проводились з використанням задачі Стефана про переміщення границі фазового перетворення, яка вирішена для одномірного випадку з лінійною умовою на границі. Задачу можна використовувати виходячи із наступних припущень:

1) Радіус ерозійної лунки rл набагато більше глибини hл, тому при визначенні переміщення границі проти центра джерела можна вважати r=.

2) Температура на поверхні рідкої фази не може бути вище температури кипіння (Tкип). Час встановлення такої температури має порядок 10-8...10-7с, що на порядок менше тривалості імпульсу, тому температуру на границі можна вважати постійною.

3) Діаметр ерозійної лунки dл можна вважати рівним діаметру каналу розряду dкр.

Процес переміщення границі плавлення описується системою диференційних рівнянь:

, ; | (1)

, ;

де а1,а2 – коефіцієнти температуропроводності рідкого та твердого матеріалу, – координата границі плавлення.

Початкові та граничні умови мають вигляд:

(2)

де Тпл – температура плавлення матеріалу.

Особливістю запропонованого в даній роботі підходу є врахування реального співвідношення теплоти витраченої на матеріал видалений з ерозійної лунки у вигляді пари (Qвип) та рідини (Qрід), та теплоти відведеної в тіло електроду (Qтв):

, (3)

В результаті отримано рівняння для розрахунку об’єму ерозійної лунки:

, (4)

де ЕА – енергія, що виділяється на аноді, 2 – коефіцієнт теплопровідності твердого матеріалу, ti – тривалість імпульсу, dкр –діаметр каналу розряду, мат – густина матеріалу деталі, ств, срід – питома теплоємність матеріалу в твердому та рідкому стані, – питома теплота плавлення матеріалу, L – питома теплота випаровування матеріалу, – коефіцієнт, що характеризує швидкість переміщення границі плавлення:

, (5)

де 1 – коефіцієнт теплопровідності рідкого матеріалу.

Розрахунок за (4) показав, що із збільшенням діаметру каналу розряду від 98 мкм до 200 мкм спостерігається зростання об’єму ерозійної лунки (рис.3). Це пов’язано із зменшенням теплоти, що відводиться в тіло електроду та збільшення частки енергії, що витрачається на ерозійне руйнування матеріалу електроду, при цьому також суттєво зменшується глибина зони термічного впливу.

а) | б)

Рис. 3. Залежність об’єму Vл та глибини hл ерозійної лунки від діаметру каналу розряду при постійному значенні енергії імпульсу: а – Еі = 2мДж, б – Еі = 4мДж.

Для керованої зміни просторово-енергетичних характеристик каналу іскрового розряду достатньо ефективним може бути використання водних розчинів ПАР в якості робочої рідини.

Четвертий розділ присвячений експериментальному дослідженню впливу водних розчинів ПАР на перебіг одиночного іскрового розряду та перевірці адекватності розробленої математичної моделі.

В результаті аналізу літературних джерел та вимірювань колоїдних властивостей для використання в якості робочої рідини обрано водні розчини іоноактивних ПАР: амфолітний (АмПАР) – алкіламіноетилсульфат натрію С8H21NHCH2CH2OSO3Na, аніоактивний (АПАР) – натрій додецилсульфат (С12Н25ОSО3Na); катіоактивний (КПАР) – лаурілпіридиній сульфат (С12Н23NC5H5+HSO4-).

Розмір міжелектродного проміжку (20-30 мкм) та тривалість імпульсу, характерні для іскрових розрядів (1-3 мкс), значно ускладнюють дослідження теплофізичних та гідродинамічних процесів в МЕП. Внаслідок цього значення більшості величин (розмір каналу, тиск в каналі, виділена потужність, швидкість розширення) можливо отримати лише побічним шляхом. В даній роботі ряд відомостей про газо- та гідродинамічні процеси в каналі іскрового розряду отримано за результатами експериментальних досліджень та аналізу:

1) часового розподілу електричних характеристик іскрового розряду: напруги на МЕП, робочого струму та потужності, що виділяється в МЕП;

2) геометричних параметрів одиночних ерозійних лунок: діаметру, глибини та об’єму;

3) розподілу продуктів ерозії по фракціям.

Аналіз часового розподілу енергетичних характеристик (рис.4) показав, що при проходженні іскрового розряду в ВР ПАР збільшується пробивна напруга в середньому на 7-10%, зростає швидкість післяпробійного розши-рення каналу розряду в 2 рази, задній фронт струму спадає одночасно із зменшенням напруги на МЕП. При обробці у воді падіння струму спостерігається за постійного значення напруги, що можна пояснити розсіюванням електронів, які при взаємодії з парами матеріалу протиелектроду, відхиляються від прямолінійної траєкторії (рис.5,а). Інтенсифікація післяпробійного розширення обу-мовлена зменшенням поверхневого опору при зростанні поверхні каналу розряду, в результаті зниження поверхневого натягу плівками ПАР, що утворюються на поверхні каналу розряду в момент пробою.

а) |

б)

Рис.5. Схема протікання іскрового розряду в різних середовищах: а – вода, б – ВР ПАР, в структурі якого присутні аніони.

Затримка падіння заднього фронту струму та збільшення загальної енергії, що виділяється на електродах, свідчить про зменшення кількості розсіяних електронів з каналу розряду. Полярні плівки ПАР (амфолітні та аніоактивні) взаємодіють із відхиленими електронами (рис.5,б), при цьому спостерігається двосторонній ефект: кількість розсіяних електронів зменшується, в результаті їх відштовхування від границі каналу розряду, діаметр каналу розряду зростає внаслідок відтискання. При цьому ефективність взаємодії залежить від товщини плівки. При проходженні розряду в середовищі катіоактивних ПАР спостерігається збільшення кількості розсіяних електронів та зменшення загальної енергії.

В результаті при проходженні іскрового розряду в середовищі ВР ПАР амфолітного та аніонного типів діаметр каналу розряду зростає в 1,2-1,5 разів за рахунок зниження поверхневого натягу (рис.6,а,б) та відтискання границі каналу розряду електронами, що розсіюються (рис.6,б). Максимальне розширення спостерігається при критичній концентрації міцелоутворення. Об’єм ерозійних лунок зростає в 1,5 рази. Експериментально отримані значення більше від розрахованих за (4) на 10-15% пропорційно зростанню енергії, що виділяється в МЕП, при зменшенні кількості розсіяних електронів.

а) |

б) |

в) |

г)

Рис.6 Залежність діаметру каналу розряду (а, б) та об’єму ерозійних лунок (в,г) від концентрації ПАР у ВР: а) – tі=1мкс, Еі=2мДж; б) – tі=3 мкс, Еі=2мДж; в) – tі=3 мкс, Еі=2мДж; г) – tі=3 мкс, Еі=4мДж; А – ВР АмПАР, Б – ВР АПАР, В – ВР КПАР.

а) |

б) |

в)

Рис.7. Фотознімки одиничних ерозійних лунок: а – вода, б – ВР АмПАР (с=0,02%), в – ВР АмПАР (с=0,05%) (х200).

При зростанні діаметру каналу розряду збільшується діаметр та зменшується глибина ерозійних лунок, змінюється кількість викривлень дна лунки, які визначають як шорсткість поверхні так і експлуатаційні властивості деталі. Профіль одиничних лунок, які отримано в звичайній воді, має від 5 до 8 викривлень (рис.7,а). Кількість та розміри викривлень лунок залежать від густини потужності в каналі розряду, а також від енергії факелів, які гальмуються на електроді. При обробці в середовищі ВР ПАР кількість викривлень зменшується до 3, висота викривлень зменшується в 2 рази (рис.7,б,в). В результаті за один технологічний прохід досягається шорсткість поверхні Ra=2,3-2,5 мкм.

П’ятий розділ присвячений дослідженню впливу водних розчинів ПАР на гідродинамічні характеристики протікання робочої через МЕП. Розглянуто особливості утворення та виносу газопарових бульбашок, приведено уточнені розрахунки параметрів теплообміну на поверхні електродів.

Швидкість знімання металу при ЕЕДВ визначається величиною підведеної в МЕП енергії та ефективністю її використання. При цьому існують фізичні обмеження максимального значення енергії. Так, при зростанні енергії підвищується ймовірність утворення парової плівки в застійній зоні МЕП, що веде до обриву ДЕІ.

Експериментально встановлено, що серед механізмів утворення газопарових бульбашок в МЕП переважну роль грають наступні два:

1) Температура на периферії каналу перевищує температуру кипіння води, яка оточує канал розряду, тому частина пограничного шару рідини випаровується, частина розкладається. Об’єм утвореної газопарової суміші залежить від енергії та тривалості імпульсу.

2)Робоча рідина інтенсивно випаровується при охолодженні поверхні ерозійної лунки, після схлопування каналу розряду. Кількість утвореної пари залежить від об’єму рідкого металу в лунці та теплообміну в тіло електродів.

В результаті експериментальних досліджень встановлено, що при проходженні одиничного іскрового розряду утворюється два типи газопарових бульбашок: спочатку одна за механізмом 1 та потім декілька за механізмом 2. Діаметр бульбашок першого типу не перевищує 10 мкм, вони на 20-27% складаються із продуктів розкладання робочої рідини (піролізу). Суттєво вплинути на параметри теплообміну в МЕП бульбашки цього типу не можуть. Утворення парової плівки, що призводить до обриву ДЕІ, виникає внаслідок існування бульбашок другого типу. Діаметр цих бульбашок залежить від тривалості імпульсу, із збільшенням якої зростає кількість рідкого матеріалу в лунці.

Теплообмін на поверхні електродів проходить за рахунок двох механізмів: конвективного та кипіння рідини на поверхні ерозійної лунки.

Частку теплообміну при кипінні рідини визначено через експериментально встановлений об’єм пари. Це дозволило уточнити рівняння для розрахунку коефіцієнту теплообміну на поверхні електродів при кипінні рідини:

, (6)

де р, р – теплопровідність та в’язкість рідини, dб – діаметр бульбашки, Тср – температурний напір, r – теплота пароутворення, п – густина пари, Pr – критерій Прандля, – коефіцієнт, що дорівнює відношенню площі лунки на якій спостерігається кипіння, до загальної площі лунки, kv – коефіцієнт, що залежить від швидкості робочої рідини.

Середній коефіцієнт конвективного теплообміну буде дорівнювати:

, (7)

де Vp – швидкість рідини, – величина МЕП, h – висота МЕП (деталі), – кінематична в’язкість робочої рідини.

При швидкості рідини близької до 0 в МЕП утворюється парова плівка, яка обмежує доступ рідини до поверхні лунки, значення коефіцієнту наближається до нуля. При поступовому зростанні швидкості рідини умови теплообміну покращуються за рахунок руйнування парової плівки. При швидкості рідини VрІ в МЕП спостерігається рівновага коли об’єм винесених бульбашок переважає об’єм утворених, при цьому значення теплообміну за рахунок випаровування досягає максимального значення. При подальшому зростанні швидкості рідини теплообмін на поверхні електродів зменшується та зростає амплітуда коливань ДЕІ, що негативно впливає на шорсткість отриманої поверхні.

Встановлено, що розміри газопарових бульбашок змінні в часі і просторі. Первинний розмір визначається енергетично-часовими параметрами одиночного імпульсу, складом і тиском робочої рідини. Зміна розміру обумовлена об’єднанням різних бульбашок як одного, так і різних типів; зменшенням температури і тиску всередині бульбашки по відношенню до робочої рідини; частковою конденсацією парів рідини.

За допомогою оптичної методики встановлено механізми впливу домішок ПАР на парові бульбашки:

- зростає кількість парових зародків, зменшується відривний діаметр та збільшується частота зриву бульбашок, в результаті збільшується тепловіддача на поверхні електродів;

- зменшується інтенсивність об’єднання бульбашок;

- зростає швидкість виносу бульбашок з МЕП внаслідок збільшення значення величини опору на поверхні бульбашки відносному руху рідини.

В результаті розміри бульбашок зменшуються від 23-28 мкм до 8-12 мкм, покращуються умови їх евакуації, ймовірність обриву ДЕІ зменшується на 20-30%.

Експериментально встановлено, що при введенні ПАР до складу робочої рідини спостерігається зростання швидкості обтікання ДЕІ в застійній зоні та витрат рідини крізь МЕП (рис.9). Зростання швидкості обумовлено зменшенням гідравлічного опору в МЕП при поступовому наростання адсорбційного шару ПАР на твердих поверхнях в МЕП: на ДЕІ при обробці в ВР АПАР, на деталі – ВР КПАР, на ДЕІ та деталі – ВР АмПАР. Зміна гідравлічного опору МЕП при наявності ПАР обумовлена ламінірізацією пограничного шару на електродах. При звичайному протіканні крізь МЕП рідина ламінарна, однак пограничний шар турбулентний. Шорсткість поверхні сприяє переходу ламінарної форми течії пограничного шару в турбулентне. Збільшення витрат робочої рідини крізь МЕП пов’язано зі зменшенням товщини пограничного шару на ДЕІ та деталі, зменшенням в’язкості рідини, а також зростанням напору рідини при виході з сопла. В результаті інтенсифікації промивання МЕП коефіцієнт використання імпульсів зростає на 15-20 % порівняно з аналогічними режимами при обробці у воді.

а) б)

Рис.10. Залежність продуктивності обробки від товщини деталі та параметрів робочого середовища: а – Еі =2 мДж, f=44 кГц, tі = 3 мкс, б – Еі =4 мДж, f=44 кГц, tі = 3 мкс; 1 – вода, 2 - ВР АПАР (с=сопт=0,037%), 3 – ВР АмПАР (с=сопт=0,05%).

В результаті досліджень встановлено, що з точки зору досягнення максимальної продуктивності та мінімальної шорсткості поверхні найбільш ефективним для використання в якості робочої при ЕЕДВ є водний розчин амфолітного ПАР (рис.10). Оптимальні концентрації ПАР у водному розчині менші критичної концентрації міцелоутворення на 10%. Найменш ефективним є катіоактивний ПАР.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Шляхом теоретичних та експериментальних досліджень виявлено закономірності протікання теплофізичних, газо- та гідродинамічних процесів електроерозійного дротяного вирізання в середовищі водних розчинів поверхнево-активних речовин, встановлено рівень їх впливу на продуктивність та якість обробки. Це дає можливість за рахунок керованої зміни фізико-хімічних властивостей робочого середовища суттєво покращити технологічні показники електроерозійної обробки.

2. Отримано аналітичну залежність, яка дозволяє розрахувати об’єм ерозійних лунок в залежності від просторово-енергетичних характеристик каналу іскрового розряду, з врахуванням реального співвідношення випареної та рідкої фаз матеріалу, видаленого з ерозійної лунки, а також кількості теплоти відведеної в тіло електроду. Показано, що при зростанні діаметру каналу розряду об’єм ерозійних лунок збільшується в результаті зменшення теплоти, яка відводиться в тіло деталі та збільшення частки енергії, що витрачається на ерозійне руйнування матеріалу електроду.

3. Обґрунтовано та реалізовано метод зміни просторово-енергетичних характеристик каналу іскрового розряду, який базується на інтенсифікації післяпробійного розширення каналу, зниженні поверхневого натягу та відтисканні границі каналу розряду в результаті утворення полярних плівок ПАР на поверхні каналу розряду.

4. Встановлено, що при обробці сталі в середовищі водних розчинів ПАР спостерігається зменшення розмірів та кількості викривлень дна лунки, а також зростання відношення діаметру до глибини лунки, що суттєво впливає на шорсткість поверхні. В результаті шорсткість поверхні сталі зменшується з Ra=4,3 мкм до Ra=2,3-2,5 мкм, що дає можливість досягти необхідної шорсткості за один технологічний прохід.

5. Удосконалено методику розрахунку значень коефіцієнту теплообміну на поверхні дротяного електроду-інструменту та деталі, з врахуванням експериментально встановленої частки теплообміну при кипінні робочої рідини на поверхні ерозійної лунки. Це дозволило встановити оптимальну швидкість протікання робочої рідини в МЕП, уникаючи надмірних витрат, які сприяють зростанню амплітуди коливання дротяного електроду-інструменту, що призводить до збільшення шорсткості поверхні деталі.

6. Встановлено, що при введені домішок поверхнево-активних речовин до складу робочої рідини зменшується опір протіканню останньої в 1,5-2 рази за рахунок ламінірізації пограничного шару та зменшення в’язкості рідини. В результаті за рахунок інтенсифікації промивання міжелектродного проміжку, в залежності від параметрів обладнання та конкретних умов обробки, спостерігається зростання коефіцієнту використання імпульсів на 15-20%.

7. Експериментально встановлено, що при обробці в середовищі водних розчинів ПАР спостерігається зменшення розмірів газопарових бульбашок в 1,5-1,8 разів внаслідок збільшення кількості парових зародків, зменшення відривного діаметру та зменшення інтенсивності об’єднань бульбашок між собою. В результаті за постійного значення енергії імпульсів та швидкості промивання МЕП спостерігається зменшення ймовірності обриву ДЕІ на 20-30%.

8. В результаті дослідження встановлено, що для підвищення технічних та технологічних показників ЕЕДВ найбільш раціонально використовувати водні розчини ПАР амфолітного типу з наступними фізико-хімічними властивостями: величина поверхневого натягу системи ПАР-вода не більше 22 мН/м, товщина адсорбційного шару ПАР в межах 10-6-2,5.10-6 м, кінематична в’язкість не більше 6.10-3 м2/с, критична концентрація міцелоутворення не більше 0,1 %. Оптимальні концентрації ПАР у водному розчині менші від критичної концентрації міцелоутворення на 10%.

9. Технологічний процес ЕЕДВ в середовищі водних розчинів ПАР застосовується на електроерозійних вирізних верстатах СЕЛД-02, що впроваджені на державному авіаремонтному підприємстві „Міг-Ремонт”. Це дозволило отримати суттєвий економічний ефект за рахунок зменшення загального часу обробки в 1,6-1,8 рази.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ступак Д.О., Осипенко В.І., Калейніков Г.Є., Поляков С.П. Дослідження механізмів виникнення обриву дротяного електрода при електроерозійному різанні // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 2000. – №4. – С.105-109. (Автором проведені експериментальні дослідження геометричних параметрів одиничних ерозійних лунок та математична обробка отриманих результатів).

2. Калейніков Г.Є., Небилиця Ю.М., Осипенко В.І. Візуальний метод дослідження електроерозійного дротяного вирізання. // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. – 2001. – № 16. – С.43-48. (Автором розроблена методика та обладнання для візуального дослідження електроерозійної обробки, проведено дослідження гідродинамічних умов протікання робочої рідини, побудовано залежності об’єму газопарової суміші від енергетично-часових характеристик іскрового розряду).

3. Калейніков Г.Є, Поляков С.П., Осипенко В.І. Вплив поверхнево-активних речовин на параметри промивання міжелектродного проміжку.// Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2002. – №1. – С.50-55. (Автором визначено фізико-хімічні властивості робочої рідини, що впливають на ефективність промивання міжелектродного проміжку, розкрито фізико-хімічні явища, що протікають в міжелектродному проміжку при обробці в середовищі водних розчинів поверхнево-активних речовин).

4. Дідковський Р.М., Калейніков Г.Є., Небилиця Ю.М. Спектральна щільність виділення енергії при електроерозійному вирізанні. // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. – 2002. – №3. – С.46-53. (Автором проведено експериментальні дослідження щодо оптимізації енерговиділення на електродах при електроерозійній обробці в середовищі водних розчинів ПАР).

5. Калейников Г.Е., Поляков С.П., Осипенко В.И. Экспериментальное исследование влияния поверхностно-активных веществ на процесс электроэрозионного проволочного вырезания. // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2003. – №1. – С.60-64. (Автором проведено експериментальні дослідження та вивчено вплив поверхнево-активних речовин на перебіг процесу електроерозійного дротяного вирізання, визначено критерії вибору складу робочої рідини).

6. Пат. 40075 А, МПК 7 В23Н1/00 Спосіб контролю стану електроерозійного процесу різання. Небилиця Ю.М., Поляков С.П., Калейніков Г.Є.; Черкаський інженерно-технологічний інститут; Заявл. 12.01.2000; Опубл. 16.07.2001, Бюл. № 6. (Автором розроблено метод вимірювання енергії, що виділяється в МЕП).

7. Калейніков Г.Є. Дослідження впливу поверхнево-активних речовин (ПАР) на параметри технологічного процесу електроерозійного дротяного вирізання. // Материалы международной конференции „Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машиностроении”. – Киев. – 2000. – С.32-33.

8. Калейніков Г.Є., Осипенко В.І., Поляков С.П. Моделювання просторово-енергетичних характеристик каналу іскрового розряду. // Материалы третьей международной конференции „Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”. – п. Славское, Карпаты. – 2003. – С. 66. (Автором побудовано математичну модель ерозійного руйнування в залежності від просторово-енергетичних характеристик каналу іскрового розряду).

9. Калейников Г.Е., Осипенко В.И., Поляков С.П. Влияние поверхностно-активных веществ на параметры теплообмена в межэлектродном промежутке. // Материалы третьего международного семинара „Современные проблемы подготовки производства, обработки и сборки в машиностроении и приборостроении”. – г. Свалява, Карпаты. – 2003. – С.73-75. (Автором проведено аналітичні та експериментальні розрахунки значень теплообміну на поверхні електродів).

АНОТАЦІЯ

Калейніков Г.Є. Електроерозійне дротяне вирізання в середовищі водних розчинів поверхнево-активних речовин. – 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, 2003.

Дисертація присвячена підвищенню продуктивності та якості електроерозійного дротяного вирізання шляхом зміни гідравлічних та теплофізичних умов в міжелектродному проміжку за рахунок використання в якості робочої рідини водних розчинів поверхнево-активних речовин. В роботі шляхом теоретичних та експериментальних досліджень виявлено закономірності протікання теплофізичних, газо- та гідродинамічних процесів електроерозійного дротяного вирізання в середовищі водних розчинів поверхнево-активних речовин, встановлено рівень їх впливу на продуктивність та якість обробки. Це дало можливість сформулювати вимоги та науково обґрунтовані рекомендації до типу та колоїдних властивостей водних розчинів поверхнево-активних речовин. Основні результати досліджень дозволили модернізувати технологічні інструкції до електроерозійних вирізних дротяних верстатів СЕЛД-02.

Ключові слова: дротяний електрод, міжелектродний проміжок, іскровий розряд, поверхнево-активна речовина, міцелоутворення, канал розряду, продуктивність, якість.

АННОТАЦИЯ

Калейников Г.Е. Электроэрозионное проволочное вырезание в среде водных растворов поверхностно-активных веществ. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 – Процессы физико-технической обработки. – Национальный технический университет Украины „Киевский политехнический институт”. – Киев, 2003.

Диссертация посвящена повышению производительности и качества электроэрозионной проволочной резки путем изменения гидравлических и теплофизических условий протекания процессов в межэлектродном промежутке при использовании в качестве рабочей жидкости водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ). В работе проведен критический анализ влияния физико-химических свойств рабочей жидкости на технологические показатели электроэрозионного проволочного вырезания. В результате установлено, что не исследовано влияние полярных пленок ПАВ, которые образуются на поверхности канала разряда и электродах на изменение пространственно-энергетических характеристик искрового разряда, недостаточно выучено влияние ПАВ на уменьшение гидравлического сопротивления протеканию рабочей жидкости в межэлектродном промежутке и изменение условий теплообмена на поверхности электродов.

В работе предложен метод оптимизации энерговыделения на электродах путем управления пространственно-энергетическими характеристиками канала искрового разряда. Исследования проводились с использованием задачи Стефана про перемещение границы фазового превращения, которая решена для одномерного случая с линейным условием на границе. Особенностью предложенного подхода является учет реального соотношения испаренного и расплавленного металла, удаленного из эрозионной лунки, а также количества тепла рассеянного в тело детали. Расчет показал, что при увеличении среднего диаметра канала разряда до 200 мкм увеличивается эрозионный эффект в 1,8 раза. Это обусловлено меньшим перегревом материала в зоне анодного пятна и уменьшением количества теплоты, отведенной в тело детали.

Для управления пространственно-энергетическими характеристиками предложено использовать в качестве рабочей жидкости поверхностно-активные вещества. Исследования проводились с тремя ионоактивными типами ПАВ: амфолитный – алкиламиноэтилсульфат натрия (С8H21NHCH2CH2OSO3Na), аниоактивный – натрий додецилсульфат (С12Н25ОSО3Na) и катиоактивный – лаурилпиридиний сульфат (С12Н23NC5H5+HSO4-). Установлено, что при прохождении искрового разряда в среде ПАВ увеличивается диаметр канала разряда в 1,2-1,5 раза за счет снижения поверхностного натяжения, при увеличении поверхности канала в послепробойный период, и отталкивания границы канала разряда электронами, отклоненными от прямолинейной траектории. При этом объем единичных эрозионных лунок увеличивается в 1,5 раза. Объем экспериментально полученных эрозионных лунок отличается от рассчитанного на 10-15% пропорционально увеличению общей энергии, за счет снижения количества рассеянных электронов. Это подтверждает правильность полученной модели.

В результате увеличения диаметра и уменьшения глубины единичной лунки, а также уменьшения количества искривлений дна лунки, при обработке в водных растворах ПАВ шероховатость поверхности уменьшается до Ra =2,3-2,5 мкм.

Обрыв проволоки при электроэрозионной обработке возникает в результате образования паровой пленки в МЭП. Для исследования процессов образования и выноса газопаровых пузырьков, а также параметров потока промывки, разработана оригинальная оптическая методика и модельная ячейка, имитирующая реальные условия промывки. Установлено, что стабильность обработки определяется соотношением размера МЭП и диаметра паровых пузырьков, которые образуется при охлаждении поверхности эрозионной лунки. На размеры паровых пузырьков влияет длительность импульса, при росте которой увеличивается объем жидкого метала в лунке. Полученные экспериментальные данные позволили уточнить формулы для расчета параметров теплообмена на поверхности электродов с учетом паровой смеси. Это дало возможность установить оптимальную скорость протекания рабочей жидкости (с точки зрения максимального теплообмена на поверхности электродов) для избежания чрезмерного расхода рабочей жидкости, который негативно влияет на качество поверхности.

При наличии молекул ПАВ в рабочей жидкости размер паровых пузырьков уменьшается от 23-28 мкм до 8-12 мкм за счет увеличения количества центров парообразования, уменьшения срывного диаметра, увеличения частоты срыва, увеличения сопротивления скорости относительному движению воды и уменьшения количества объединений пузырьков между собою.

Установлено, что при обработке в среде ПАВ увеличивается скорость обтекания проволочного электрода-инструмента в застойной зоне в 1,4 раза за счет снижения гидравлического сопротивления МЭП, в результате ламиниризации пограничного слоя. Также увеличивается расход жидкости через МЭП в 2,1 раза за счет уменьшения толщины пограничного слоя на электродах, уменьшения вязкости и увеличения напора жидкости при выходе из сопла. В результате за счет интенсификации промывания МЭП достигается увеличение значения коэффициента использования импульсов на 15-20%.

При исследовании интегральных характеристик электроэрозионного проволочного вырезания установлено увеличение производительности в 1,5-1,6 раза за счет увеличения объема эрозионных лунок и коэффициента использования импульсов. Шероховатость обработанных поверхностей снижается с Rа=4,3 мкм до Rа=2,3-2,5 мкм. Это позволяет получить широкую гамму деталей при однопроходной обработке. В результате общее время обработки снижается в 1,6-1,8 раза.

Ключевые слова: проволочный электрод, межэлектродный промежуток, искровой разряд, поверхностно-активное вещество, мицеллообразование, канал разряда, производительность, качество.

SUMMARY

Kaleynikov G.E. – Electroerosive wire cutting in water solution of surface-active substances. – Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical science, speciality 05.03.07 – process of physical and technical machining – The National Ukraine Technical University “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2003.

The dissertation is devoted to increase of productivity and quality of an electroerosive wire cutting by change hydraulic and heat conditions in an interelectrode interval due to use as a working liquid of water solutions of surface-active substances. In work by theoretical and experimental researches laws of course heat and hydrodynamical processes of an electroerosive wire cutting in the environment of water solutions of surface-active substances are revealed, the level of their influence on productivity and quality of processing is established. It has enabled to formulate requirements and scientifically proved recommendations to type and colloid to properties of water solutions of surface-active substances. The basic results of researches have allowed to modernize technological instructions to electroerosive cut wire machine tools SELD-02.

Key words: wire electrode, interelectrode interval, electro discharge, surface-active substance, misela’s dimension, surface of discharge, productivity, quality.