НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Осипенко Василь Іванович

УДК 621.9.048.4

ізико-технологічні основи

електроерозійного дротяного візання

Спеціальність 05.03.07 – Процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

Київ-2006

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий консультант: | 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, Заслужений діяч науки і техніки, Лауреат Державної премії України

Ковальченко Михайло Савич, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу термомеханічної обробки тугоплавких матеріалів;

доктор технічних наук, професор, Лауреат Державної премії України Ляшенко Борис Артемович, Інститут проблем міцності НАН України, завідувач лабораторії;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Лавриненко Валерій Іванович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, завідувач лабораторії.

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

Захист дисертації відбудеться „17” квітня 2006 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.435.

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

Автореферат розіслано „07” березня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15

д.т.н., професор Л.Ф. Головко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Головна риса сучасного етапу науково-технічного прогресу – застосування технологій, заснованих на останніх наукових досягненнях. Розвиток таких нових галузей техніки, як ядерна енергетика, аерокосмічна техніка, інформатика, сучасна біомедицина, а також подальший розвиток традиційних галузей машинобудування неможливі без застосування високоефективних технологій обробки матеріалів.

Розробка високоефективних технологій і устаткування займає важливе місце серед пріоритетних напрямків розвитку машинобудування, що визначають науково-технічний прогрес. Прогрес у машинобудуванні і, відповідно, у всьому виробництві пов'язаний із широким застосуванням технологій, що забезпечують екологічність, ресурсо- й енергозбереження при обробці як традиційних матеріалів (сталей, кольорових металів), так і високоміцних металевих композиційних матеріалів. Електроерозійне дротяне вирізання (ЕЕДВ) в наш час є одним із найпоширеніших методів високоефективної обробки завдяки своїм унікальним можливостям прецизійної обробки твердих та надтвердих струмопровідних матеріалів.

Конкурентоспроможність електроерозійних вирізних технологій та обладнання, в першу чергу, визначається продуктивністю обробки, точністю, шорсткістю та мініатюрністю оброблюваних поверхонь. При нинішньому фінансовому стані переважної більшості виробників України і збереженні традиційних вимог важливе (іноді вирішальне) значення має цінова доступність обладнання. Такий стан справ ставить завдання реалізації продуктивних прецизійних технологій на порівняно дешевому технологічному обладнанні за рахунок удосконалення базових фізико-технологічних процесів ЕЕДВ, взаємопов’язаних через робочу зону верстата. Просування в цьому напрямку потребує заміни емпіричного підходу до проектування технологій та обладнання на науковий, відмінність якого полягає в досконалому розумінні особливостей фізичної природи процесів ЕЕДВ, так як незважаючи на швидкий розвиток ЕЕДВ, особливо в напрямку сучасного апаратного та програмного забезпечення, до теперішнього часу відсутня повна ясність фізичних механізмів та кінцевих можливостей процесу. Для визначення і реалізації найбільш ефективних способів прогнозування динаміки розвитку та удосконалення фізико-технологічних процесів ЕЕДВ необхідне адекватне описання електричних, газогідродинамічних, теплових та механічних процесів у міжелектродному проміжку (МЕП), що потребує ефективної узгодженої адаптації до умов ЕЕДВ рішень таких базових задач електроерозійної обробки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Відомі вирішення окремих задач, що наведені в роботах Б.Р. Лазаренка та Н.І. Лазаренко, Б.Н. Золотих, В.С. Коваленка, Ф. Ван-Дейка, К.К. Намітокова, А.І. Круглова, А.Л. Лівшиця, В.Ф. Іоффе, М.В. Коренблюма, М.Л. Левіта та інших авторів, отримані на основі досліджень основних фізичних процесів при електроерозійній обробці розрядами тривалістю 10 – 1000 мкс, енергіями 0,1 – 10 Дж та суттєвих ідеалізаціях моделей процесу, дають розрахункові параметри, які значно відрізняються від вихідних параметрів реальних процесів ЕЕДВ. Це пов’язано з тим, що діапазон енергій (~ 0,1 – 10 мДж) та тривалості (~ 0,1 – 3 мкс) іскрового розряду, що відповідає параметрам режимів ЕЕДВ, до теперішнього часу досліджено недостатньо. Експериментальні дані, отримані в роботах Б.І. Ставіцького, дозволяють лише побічно судити про процеси, що відбуваються в МЕП при дії імпульсного розряду малої тривалості та енергії, та не дають можливості цілеспрямовано оцінювати, вдосконалювати і прогнозувати динаміку розвитку процесу електричної ерозії. Крім того, при вирішенні більшості відомих задач практично не враховуються технічні характеристики основних технологічних систем електроерозійних вирізних верстатів (ЕЕВВ) і дія на процес системних та випадкових збурень, обумовлених специфікою електроерозійного дротяного вирізання. Це значною мірою гальмує впровадження наукових методів проектування технологій і обладнання, пояснює панівний стан емпіричних підходів, використання складних та дорогих систем контролю й адаптивного керування процесами в МЕП. Таким чином окрім сприяння створенню наукових (а не чисто емпіричних) основ технології, пошук відповідних адекватних рішень базових задач електроерозійної обробки при фізичних та технологічних умовах ЕЕДВ, дозволяє представити процес як деяку систему, що складається з ряду взаємопов’язаних через робочу зону підсистем, чим забезпечує створення придатної для використання в інженерній практиці системи багатофакторних розрахунків параметрів технологічного процесу, полегшує перехід технологічних систем на керування від ЕОМ та створення автоматизованих систем технологічної підготовки виробництва.

Вирішення даних складних проблем неможливе без комплексу експериментальних та теоретичних досліджень, математичного та експериментального моделювання фізико-технологічних процесів ЕЕДВ, що і є центральним завданням даної роботи та обумовлює її актуальність.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в рамках держбюджетних тем “Розробка прогресивних технологій виготовлення деталей з використанням систем автоматизованого контролю” (номер державної реєстрації № 0100V004420) та “Створення наукових та фізико-технологічних основ оптимізації імпульсної електроерозійної обробки” (номер державної реєстрації № 01030003687), що виконувалися в ЧДТУ в період з 1999 по 2005 рр.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розвиток фізико-технологічних основ ЕЕДВ, розробка способів ефективного вдосконалення електричних, газогідродинамічних, теплових та механічних процесів у МЕП на основі концепції досягнення максимальних технологічних характеристик вирізання (продуктивність, точність контуру, шорсткість отриманої поверхні) при зниженні загальної енергоємності технології; створення математичного описання ЕЕДВ як комплексного фізико–технологічного процесу та системи багатофакторного розрахунку параметрів обладнання та технологій.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

1. Провести аналіз відомих підходів і результатів досліджень фізико – технологічних закономірностей ЕЕДВ.

2. Розробити методологію і виконати комплекс теоретичних та експериментальних досліджень для адекватного опису та вдосконалення електричних, газогідродинамічних, теплових та механічних процесів у МЕП, що визначають кінцеві показники обробки (продуктивність, точність, шорсткість).

3. Провести експериментальні дослідження та виявити вагомість впливу основних параметрів, що визначають умови виникнення та розвитку пробою МЕП за фізико-технологічних умов ЕЕДВ.

4. Встановити основні закономірності, що визначають баланс енергії одиничного іскрового розряду за умов в МЕП, характерних для ЕЕДВ.

5. Провести теоретичні та експериментальні дослідження впливу параметрів міжелектродного середовища на ефект ерозійної руйнації електродів, динаміку розширення каналу іскрового розряду та умови охолодження дротяного електрода.

6. Розробити математичну модель теплових процесів у зоні дії висококонцентрованого джерела тепла, яка б дозволяла для відомих теплофізичних характеристик матеріалу заготовки виконати синтез поверхневого висококонцентрованого джерела, необхідного для досягнення максимальної ерозійної руйнації електрода, та визначити відповідні характеристики імпульсу технологічного струму.

7. Методами чисельного та експериментального моделювання виявити вплив ефекту “гніздування” розрядів на тепловий стан локальної ділянки ДЕІ.

8. Виконати аналітичні та експериментальні дослідження впливу динаміки системи верстат – пристосування – інструмент – деталь на точність складноконтурного чотирикоординатного ЕЕДВ.

9. Розробити концепцію та технологічні прийоми безелектролізної електроерозійної обробки при використанні серійних генераторів квазіуніполярних імпульсів.

10. На основі отриманих результатів розробити математичне описання ЕЕДВ як комплексного фізико-технологічного процесу, наукові принципи, методи та комп’ютеризовану систему проектування та вдосконалення електричних, газогідродинамічних, теплових та механічних процесів у МЕП, яка б забезпечила визначення областей максимальних технологічних характеристик процесу при експлуатації існуючого та проектуванні нового обладнання.

Об’єкт досліджень – процес електроерозійного дротяного вирізання.

Предмет досліджень – вивчення закономірностей фізико-технологічних процесів у МЕП та їх впливу на кінцеві показники обробки (продуктивність вирізання, геометрична точність контуру, шорсткість отриманих поверхонь).

Методи дослідження. Як теоретична база при постановці та конкретному вирішенні поставлених завдань використовуються основні положення теорії іскрового розряду, газо- та гідродинаміки, теорії теплопровідності (нестаціонарні процеси), методи математичного планування та обробки результатів експерименту, математичні методи описання випадкових процесів. Експериментальні дослідження проводились на спеціалізованому електроерозійному обладнанні з використанням сучасної реєструючої та вимірювальної апаратури.

Наукова новизна одержаних результатів.

- Вперше проведено комплексне системне експериментальне дослідження процесу виникнення пробою МЕП при фізико-технологічних умовах ЕЕДВ. Виявлено закономірності впливу на напругу пробою робочої рідини першим імпульсом базових параметрів, що визначають діелектричну міцність проміжку (геометрична величина МЕП, шорсткість взаємодіючих поверхонь електродів, електропровідність та ступінь забруднення робочої рідини продуктами ерозії, тиск та швидкість течії робочої рідини).

- Вперше отримані закономірності впливу величини МЕП на ефект ерозії, розподіл енергії розряду між електродами для пари латунь-сталь у діапазоні характерних для ЕЕДВ енергій імпульсу 1 – 10 мДж. Встановлено, що для кожного енергетичного режиму існує вузька (2 – 4 мкм) зона оптимальних величин МЕП, при яких за незмінних параметрах режиму роботи генератора спостерігається максимальна ерозійна руйнація анода.

- Вперше експериментально встановлено кількісні параметри теплової асиметрії іскрового розряду як функції тривалості імпульсу та фізико-хімічних властивостей поверхневих шарів електродів.

- Вперше доведена можливість керовано змінювати діаметр каналу іскрового розряду, густину потужності в катодній та анодній плямах і, відповідно, ефективність ерозійного руйнування електродів за допомогою використання в якості робочої рідини водних розчинів поверхнево-активних речовин (ВР ПАР) з різними колоїдними властивостями.

- Уточнено механізм теплообміну на поверхні ерозійної лунки після закінчення імпульсу струму шляхом встановлення частки теплообміну кипінням. Доведено, що в діапазоні швидкості обтікання дроту робочою рідиною 0 – 5 м/с коефіцієнт теплообміну при кипінні в залежності від температури поверхні може бути в 10 – 100 разів вище коефіцієнта конвективного теплообміну.

- На основі чисельного вирішення нелінійної квазітрифазної задачі Стефана уточнено закономірності утворення форми та об’єму “ізофазних” поверхонь (випаровування та плавлення) в залежності від густини потужності в електродній плямі, діаметра електродної плями, тривалості імпульсу та теплофізичних характеристик поверхневих шарів електрода.

- Теоретично обґрунтовано та вперше експериментально доведено, що швидкість обрушення плазми каналу розряду при завершенні імпульсу впливає на газогідродинамічні умови в зоні електродних плям каналу розряду і, відповідно, об’єми (8 – 26 %) викиду рідкого металу з ерозійної лунки, що дозволяє суттєво підвищити продуктивність процесу шляхом керованої зміни крутизни заднього фронту струму розряду.

- Шляхом математичного моделювання теплового стану локальної ділянки ДЕІ виявлено якісний та кількісний вплив основних факторів процесу вирізання (енергія одиничного іскрового розряду, частота проходження розрядів, коефіцієнт теплообміну з навколишнім середовищем, теплофізичні параметри матеріалу електродів) на динаміку зміни температури будь-якої точки зони локалізації розрядів. Встановлено умови теплообміну, за яких можливе нагрівання перетину електрода до температур, де напруга від зусилля натягу може перевищувати межу міцності матеріалу дроту.

- Показано, що за допомогою катодного захисту заготовок у робочій ванні верстата можливо сформувати електрохімічну систему, що забезпечує безелектролізне ЕЕДВ у водопровідній воді генераторами уніполярних імпульсів без втрати максимальної продуктивності процесу.

Практичне значення одержаних результатів. У ході виконання дисертаційної роботи була розроблена та впроваджена у діюче виробництво (державне підприємство “Мотор-Січ”, ЗМКБ “Прогрес”, м. Запоріжжя) комплексна система розрахунку раціональних технологічних режимів ЕЕДВ для існуючого чи проектованого технологічного обладнання з урахуванням реальних технічних характеристик конкретного типу використовуваного верстата. Це дозволило в багатьох випадках на 20 – 40 % скоротити час проектування технологічних процесів обробки та виготовлення широкої гами деталей інструментального виробництва.

Використання на державному авіаремонтному підприємстві “МіГ Ремонт” (м. Запоріжжя) методу керованої зміни просторово-енергетичних характеристик іскрового розряду за рахунок використання в якості робочої рідини ВР ПАР із запропонованими колоїдними властивостями дозволяє підвищити продуктивність обробки конструкційних сталей до 1,5 разу та знизити шорсткість отриманих поверхонь з Rа = 3,5 – 4,3 до Rа = 2,3 – 2,5 мкм за один технологічний прохід при тих же електричних параметрах режиму роботи генератора.

Розроблені конструкції, методи розрахунку та пакети прикладних програм для використання систем катодного захисту заготовки в умовах ЕЕДВ впроваджені на ЗАТ “Рубін-Вектор”, м. Орел (Росія). Застосування системи захисту дозволило при збереженні продуктивності вирізання отримувати деталі без будь-яких корозійних ушкоджень за використання водопровідної води та серійних генераторів квазіуніполярних імпульсів.

На основі виконаних експериментальних та теоретичних досліджень створено пакет прикладних програм для моделювання теплових процесів у зоні дії висококонцентрованого джерела тепла. Розроблене програмне забезпечення призначене для синтезу необхідного для досягнення максимальної ерозійної руйнації заготовки поверхневого висококонцентрованого джерела та визначення відповідних характеристик імпульсу технологічного струму. Система має зручний інтерфейс для роботи в операційних системах Windows 9x/NT/2000. Дане програмне забезпечення використовується на ЗАТ “Елеватормаш” (м. Черкаси).

На державному науково-виробничому комплексі “Фотоприлад” м. Черкаси проведена модернізація основних технологічних систем ЕЕВВ СЕЛД-03М та впроваджено розроблений модуль САПР стратегій обробки кутів і радіусів, орієнтований на систему AutoCAD фірми Autodesk і мову програмування систем числового програмного керування вітчизняних електроерозійних вирізних верстатів моделі СЕЛД. Експериментальна перевірка отриманих результатів за умов реального виробництва інструментальної оснастки показала, що використання запропонованої методики дозволяє підвищити точність однопрохідної обробки кутів та радіусів на вирізному верстаті СЕЛД-03М з ±0,05 до ±0,02 мм.

Результати дисертаційної роботи використані при визначенні вихідних параметрів силового блока та алгоритмів керування процесом енерговиділення генератора технологічного струму нового покоління [32; 33].

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі вклад автора полягає в обґрунтуванні загальної концепції роботи; формулюванні мети і завдань дослідження; визначенні підходів до описання електричних, газогідродинамічних, теплових та механічних процесів у МЕП; розробці математичних моделей та обчислювальних алгоритмів для їх комп’ютерного моделювання.

Автору належать загальні висновки дисертаційної роботи і такі основні положення, що захищаються:

1. Результати досліджень умов пробою МЕП та експериментальні статистичні моделі, які визначають залежність напруги пробою від фізичних факторів (геометрична величина МЕП, шорсткість взаємодіючих поверхонь електродів, електропровідність та ступінь забруднення робочої рідини продуктами ерозії, тиск та швидкість течії робочої рідини), що впливають на процес виникнення та розвитку каналу розряду в умовах ЕЕДВ.

2. Отримані експериментальні закономірності розподілу енергії одиничного іскрового розряду між катодом та анодом.

3. Спосіб керованої зміни просторово-енергетичних характеристик іскрового розряду, інтенсифікації процесів теплообміну та видалення продуктів ерозії і газопарової суміші з МЕП, при використанні в якості робочої рідини водних розчинів поверхнево-активних речовин.

4. Математичні моделі для розрахунку форми та об’єму “ізофазних” поверхонь (випаровування та плавлення) в зоні дії плоского висококонцентрованого джерела тепла та динаміки зміни температурного поля ДЕІ за умов локалізації розрядів.

5. Концепція ГКІ та алгоритмів керування силовими ключами, що забезпечують роботу без аномальних розрядів та на 8 – 26 % підвищують ефективність викиду рідкого металу з ерозійної лунки при обробці сталі.

6. Експериментальні статистичні математичні моделі для розрахунку параметрів високоефективного безобривного ЕЕДВ.

7. Результати експериментальних досліджень та моделювання впливу динаміки системи верстат – пристосування – інструмент – деталь на точність чотирикоординатного ЕЕДВ.

8. Концепція безелектролізного ЕЕДВ серійними генераторами квазіуніполярних імпульсів при використанні системи катодного захисту заготовки.

Роботи з обробки та узагальнення результатів експериментальних досліджень, розробки програмного забезпечення для чисельного моделювання та створення модулів САПР, впровадження результатів досліджень у виробництво проведено автором спільно зі співробітникам кафедри комп’ютеризованих технологій високоефективної обробки матеріалів ЧДТУ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: ХV ежегодной Международной научно-технической конференции “Прогрессивные технологии в машиностроении” (м. Київ, 2000); “Прогрессивные технологии и системы машиностроения” (м. Севастополь, 2001); III Международной конференции “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (п. Славське, Карпати, 2003); III Международном семинаре “Современные проблемы подготовки производства, обработки и сборки в машиностроении и приборостроении” (м. Свалява, Карпати, 2003); I Міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування та металообробка – 2003” (м. Кіровоград, 2003); “Машиностроение и техносфера ХХІ века” (м. Севастополь, 2003, 2004); V юбилейной промышленной конференции с международным участием и блиц-выставки “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (п. Славское, Карпаты, 2005).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 40 робіт, у тому числі 24 статті у провідних фахових виданнях, затверджених переліком ВАК України, 9 патентів України на винаходи, 7 тез доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, восьми розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Дисертація містить 369 сторінок машинописного тексту, 127 рисунків, 29 таблиць, список використаних джерел з 216 найменувань, 6 додатків на 6 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та завдання досліджень. Визначені об’єкт та методи досліджень, наведена наукова новизна і практичне значення отриманих результатів з відзначенням особистого внеску автора.

У першому розділі дисертації виконано докладний аналіз сучасного стану і напрямків розвитку електроерозійних вирізних технологій та обладнання. Розгляд значного обсягу наукової та патентної інформації показав, що в останні роки спостерігається надзвичайно швидкий прогрес ЕЕДВ у напрямку розробки та впровадження сучасних апаратних та програмних засобів, що вже призвело в багатьох випадках до невиправданого ускладнення та подорожчання обладнання. Разом з тим до сих пір деякі важливі фізичні та технологічні сторони процесу ЕЕДВ залишилися до кінця не розкритими, відсутня повна ясність їх механізмів та кінцевих можливостей, як правило, існують декілька гіпотез, що по-різному пояснюють одні й ті ж явища. Це стосується процесу пробою рідини та параметрів, що його визначають, за умов характерних для ЕЕДВ, балансу енергії одиничного іскрового розряду, просторового руху “ізофазних” поверхонь у зоні дії висококонцентрованого джерела тепла на поверхні електрода. До кінця не зрозуміла природа процесів, що викликають видалення рідкого металу з поверхні електродів і утворення продуктів електричної ерозії. Відсутні експериментальні дані про особливості газогідродинамічних процесів у зоні вирізання. Недостатньо досліджені умови теплообміну між ДЕІ та робочою рідиною з врахуванням реальних умов теплообміну: як за рахунок конвекції, так і за рахунок кипіння рідини на поверхні ерозійної лунки. Значною мірою поза увагою дослідників залишилися процеси електрохімічного руйнування поверхні оброблюваної заготовки та вплив на точність ЕЕДВ, як технології, низької жорсткості ДЕІ. Науковий та практичний інтерес викликають дослідження процесів ЕЕДВ, при використанні в якості робочої рідини ВР ПАР.

Виходячи з цього, і були сформульовані напрямки досліджень та основні завдання дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячено описанню та аналізу методик досліджень, апаратурі та обладнанню для проведення експериментів у рамках поставлених завдань. Обґрунтовано вибір класу точності приладів та методів оцінки похибки результатів при прямих та непрямих вимірах. Базові експериментальні дослідження фізико-технологічних процесів ЕЕДВ проводилося на електроерозійних вирізних верстатах СЕЛД-02, СЕЛД-03 та СЕЛД-04, які на різних етапах досліджень комплектувалися генераторами технологічного струму ГКІ-300-200А, МГКІ-1 та МГКІ-1М. Крім того, для дослідження та реєстрації визначених параметрів фізико-технологічних процесів ЕЕДВ було застосовано ряд спеціально спроектованих оригінальних стендів, модельних осередків та пристроїв, які з необхідними ступенями точності забезпечили:

1. Проведення комплексу експериментальних досліджень пробою рідини, ефекту ерозії та розподілу енергії між катодом та анодом.

2. Вимірювання електричних параметрів та енергії одиничного імпульсу.

3. Вимірювання геометричних характеристик одиничних ерозійних лунок.

4. Проведення комплексу експериментальних досліджень газогідродинамічних процесів у МЕП за умов, характерних для ЕЕДВ.

5. Визначення параметрів термонапруженого стану ДЕІ.

6. Реєстрацію параметрів енерговиділення в МЕП в режимі реального часу.

7. Вимірювання електрохімічного потенціалу електрода та гальванічних струмів у робочій ванні ЕЕВВ.

Третій розділ дисертації присвячено експериментальним дослідженням із використанням методів математичного планування експериментів фізико-технологічних закономірностей пробою робочої рідини та балансу енергії одиничного іскрового розряду. Дослідження безпосередньо процесу пробою та параметрів, що його визначають, за умов, характерних для ЕЕДВ, вкрай важливо як з точки зору покращення продуктивності і точності самого методу, так і з точки зору отримання науково обґрунтованих рекомендацій, необхідних при створенні і модернізації генераторів, регуляторів МЕП та алгоритмів їх роботи.

Перші дослідження впливу попередніх розрядів на умови виникнення пробою рідини показали як різке зменшення середніх напруг пробою (в 2,5 – 3,5 разу), так і суттєве зростання нестабільності процесу. Через очевидний домінуючий вплив на умови в МЕП, що визначають пробій робочої рідини, серії попередніх розрядів, пробій проміжку одиничним іскровим розрядом та пробій після серії попередніх розрядів було розглянуто як окремі процеси. Тобто вагомість впливу на пробій решти досліджених факторів та їх комбінацій оцінювали окремо за умов пробою проміжку одиничним (першим) імпульсом та пробою після серії попередніх розрядів. На підставі аналізу результатів попередніх досліджень були відібрані чотири фактори, що найбільш суттєво впливають на початкову стадію іскрового розряду (величина міжелектродного проміжку lмеп – (Х1), мкм; шорсткість взаємодіючих поверхонь електродів Ra – (Х2), мкм; забрудненість проміжку продуктами ерозії Cз – (Х3), %; швидкість протікання робочої рідини в МЕП Vр – (Х4), м/с (при дослідженнях пробою МЕП одиничними іскровими розрядами помітного впливу на пробивну міцність середовища електропровідності, тиску та швидкості течії РР в МЕП не виявлено). Після проведення експериментів та обробки їх результатів отримано експериментальну статистичну залежність напруги пробою МЕП (Y) першим одиничним розрядом від обраних факторів процесу:

(1)

де

На напругу пробою МЕП першим одиничним розрядом найбільший вплив мають шорсткість взаємодіючих поверхонь електродів та геометрична величина проміжку (1). В обраному діапазоні зміни факторів вплив шорсткості є більш вагомим. В дослідженій області зміни величин МЕП та концентрацій осаду пробивні напруженості електричного поля помітно зменшуються при зростанні концентрації осаду до 0,56 % при геометричних розмірах МЕП 10 – 20 мкм. При відносно великих МЕП > 20 мкм вплив зростання концентрації продуктів ерозії на пробивні характеристики рідини є незначним. При цьому варто відзначити, що наявність осаду значно збільшує вірогідність так званих пробоїв по “домішці”, електричні та енергетичні параметри яких помітно відрізняються від пробою чистої робочої рідини (рис. 1, 2). При пробої по “домішці” суттєво зменшується частка енерговиділення на електродах за рахунок втрат на руйнування “домішки” при формуванні каналу провідності та появи додаткових низькоомних контактів у зоні електродних плям.

При дослідженнях впливу обраних факторів на пробій робочої рідини після серії попередніх розрядів значення факторів на основних рівнях, а також інтервали варіювання, обрані для попереднього випадку, було залишено без змін (в експерименті фіксувалася напруга пробою 15-го імпульсу кожної серії). В результаті отримано експериментальну статистичну залежність напруги пробою МЕП після серії попередніх розрядів від обраних факторів процесу:

(2)

На відміну від пробою першим розрядом, після серії попередніх розрядів найбільш вагомий вплив на напругу пробою мають геометрична величина проміжку та швидкість протікання робочої рідини. Початкова шорсткість взаємодіючих поверхонь електродів практично втрачає вплив на напругу пробою МЕП. Зі зростанням швидкості течії робочої рідини від 0 до 3 м/с встановлено зростання напруг пробою після серії попередніх розрядів на 20 – 30 %.

Подальше зростання швидкості течії робочої рідини до 6 м/с вже менш суттєво (4 – 8 %) впливає на пробивну міцність проміжку. При цьому варто відзначити, що зі зростанням швидкості течії робочої рідини в МЕП на 20 – 50 % зменшується розкид напруг пробою, тобто спостерігається стабілізація діелектричного стану середовища.

Процес виділення енергії на електродах (при ЕЕДВ використовується пряма полярність, дріт – катод, деталь – анод) визначається елементарними процесами в каналі розряду і на електродах, тобто рухом заряджених часток у стовпі розряду та приелектродних областях. Відповідно до цього загальний баланс енергії в МЕП можна представити в такому вигляді:

(3)

де Еа, Ек, Ес – енергія, що виділяється відповідно на аноді, катоді й у стовпі розряду; Еі – енергія імпульсу.

Енергія, що виділилася на електродах, витрачається на руйнування (плавлення і випаровування) матеріалу та тепловідвід у тіло електродів:

(4)

де Еар, Екр – енергія, витрачена на руйнування анода і катода; Еат, Ект – енергія, що розсіюється на тепловідвід у тіло електродів.

З урахуванням того, що співвідношення енергій, що надійшли на електроди, пропорційно енергіям, витраченим на їхнє руйнування, можемо записати:

(5)

При умові, що Еар, та Екр можливо визначити експериментально, рівняння (3), (5) дозволяють розрахувати баланс енергії в МЕП та теплову асиметрію розряду. Основними факторами, що визначають теплову асиметрію розряду, є тривалість і енергія імпульсу, величина МЕП та теплофізичні властивості матеріалу поверхневих шарів електродів. Тривалість та енергія імпульсу струму визначають густину і час впливу енергії на електроди та параметри приелектродних процесів. Величина МЕП та теплофізичні властивості матеріалу поверхневих шарів електродів впливають на характер теплових процесів на електродах, динаміку зростання та співвідношення величин іонної і електронної складових струму розряду. На першому етапі досліджувався вплив на баланс енергії в МЕП геометричної величини проміжку та тривалості розряду. Дослідження проводилися при зміні МЕП від 5 до 30 мкм та зміні тривалості від 1 до 3,2 мкс. Як діелектрик застосовувалася водопровідна вода з питомим опором 25 кОм/см (електропровідність 40 ?S). Основні результати подані на рис. 3. Аналізуючи весь спектр отриманих даних можливо зробити такі висновки:

1. При квазіпостійних значеннях загальної енергії імпульсу за умови використання одиничних розрядів зміна величини МЕП призводить до варіацій діаметра лунок на 10 – 15 %, глибини на 20 – 80 %, об’єму в 1,2 – 2 рази.

2. Домінуючим фактором, що визначає розподіл енергії між катодом та анодом, є тривалість розряду. Так, при tі = 3,2 мкс, Ер катода (тобто ДЕІ) в залежності від величини МЕП та загальної енергії розряду на 15 – 30 % перевищує Ер анода (рис. 3). Скорочення тривалості імпульсу струму до 1 мкс при тій же загальній енергії розряду призводить до появи областей де Ер анода в 2 – 2,5 разу перевищує Ер катода.

3. Оптимальна величина МЕП, при якій спостерігається максимальний ефект ерозії анода, залежить від енергії розряду. Зі збільшенням енергії оптимум зсувається в бік зростання МЕП. Для енергії Еі = 10,5 мДж оптимальний МЕП знаходиться в межах 19 – 22 мкм, для Еі = 4,3 мДж – 12 – 15 мкм (рис. 3).

4. Зменшення lмеп < 10 мкм призводить до різкого зменшення об’єму утворених ерозійних лунок. Лунки набувають форму розмитих п’ятен із глибиною проплаву 0,8 – 1,2 мкм. Утворення таких лунок, найімовірніше, пов’язане з ефективністю нагрівання та викиду матеріалу електродів. При мікронних МЕП через виникнення короткочасних низькоомних контактів між електродами по частинках викинутого матеріалу основним джерелом тепла стає об’ємне (Джоулеве) джерело, і, відповідно, енергія розряду витрачається не на руйнування, а на нагрівання матеріалу електродів. Зі збільшенням lмеп до оптимальних для даної енергії розряду значень низькоомні контакти усуваються і домінуючими стають плоскі поверхневі джерела, викликані бомбардуванням поверхні електродів електронами (анод) та іонами (катод) каналу розряду. При цьому розміри катодної та анодної плям практично не змінюються, а ерозійні лунки отримують чіткі контури та глибину 4 – 6 мкм. З подальшим зростанням lмеп спостерігається зменшення анодного п’ятна (катодне практично не змінюється), що призводить до збільшення густини потужності в прианодній плямі, модифікації механізмів руйнування матеріалу та зростання тепловідводу в тіло електрода. Наслідком є вже помітне зменшення об’єму ерозійної лунки на аноді. При цьому об’єм ерозійної лунки на катоді зменшується значно повільніше, тобто залежність Ер анода від lмеп має більш чітко виражений екстремальний характер. Даний факт найбільш вірогідно пов’язаний із динамікою процесу формування прикатодної та прианодної зон каналу іскрового розряду.

5. Суттєвого впливу зміни тиску та швидкості протікання робочої рідини в МЕП на розподіл енергії між катодом та анодом, діаметри електродних плям, ефективність та механізми ерозійного руйнування електродів при використанні одиничних розрядів в межах проведених експериментів не виявлено.

Виходячи з припущення про те, що в основі пробою лежить механізм ударної іонізації електроном, важливу роль у формуванні каналу розряду та електронної складової струму відіграють фізико-хімічні властивості поверхневого шару катода (ДЕІ). Таким чином, теплова асиметрія іскрового розряду при оптимальних геометричних величинах МЕП має бути складною функцією тривалості імпульсу та фізико-хімічних властивостей поверхневих шарів ДЕІ. Для підтвердження даного припущення було проведено серію дослідів, метою яких було визначення впливу хімічного складу поверхневих шарів ДЕІ і тривалості імпульсу на теплову асиметрію розряду при обробці сталі (Сталь 45). Для дослідів було обрано три типи електродів – латунний ДЕІ марки ДКРПМ ФКТЛ – 63 (№1), латунний ДЕІ фірми “AGIE” з цинковим покриттям (№2) і модифікований латунний ДЕІ з оксидним покриттям (№3) складом 60...65 % Cu2O, 25…30 % CuO, 7…10 % ZnO [25; 27]. Результати проведених експериментів подано на рис. 4, 5. При тривалості імпульсу 2 мкс найбільше руйнування анода спостерігалось при використанні ДЕІ фірми AGIE, найменше – при використанні латунного дроту без покриття (рис. 5).

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). З точки зору досягнення максимальної продуктивності обробки найбільш оптимальними будуть режими, при яких Еар /Ект > max. Еар визначає руйнування деталі, Ект обмежує потужність, що вводиться в міжелектродний проміжок. 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 за рахунок використання як імпульсів з більшою енергією, так і режимів із підвищеною частотою проходження розрядів.

В четвертому розділі дисертації теоретично та експериментально досліджуються особливості електроерозійної руйнації електродів розрядами малої тривалості та енергії, супутні їм газогідродинамічні процеси в меп та умови теплообміну між деі та робочим середовищем.

Для більшості металів при густині потужності поверхневого джерела тепла q0 = 107 – 109 Вт/см2 основні витрати енергії пов’язані з випаровуванням металу, внутрішня енергія продуктів руйнування та теплота плавлення у даному випадку відносно малі. Для визначення ефективності ерозійного руйнування достатньо складним є питання про визначення частки рідкої фази в продуктах ерозії. Варіації даної частки, практично не впливаючи на баланс енергії, можуть впливати на винос маси з ерозійної лунки і тим уже суттєво змінювати питому енергію руйнування. Необхідність врахування наявності рідкої фази вимагає розв’язання рівняння теплопровідності в області з двома рухомими границями.

Прийнято вважати, що утворені ерозійні лунки мають форму близьку до кульового сегмента. Однак результати експериментальних досліджень показали, що при густині потужності q0 = 107 – 109 Вт/см2 лунки можуть мати форму, яка суттєво відрізняється від кульового сегмента. Внаслідок цього розв’язок плоскої одновимірної задачі про рух границь фазових перетворень (плавлення та випаровування) не дає точної уяви про реальний об’єм матеріалу, що пройшов фазові перетворення (похибки можуть перевищувати 100 %). Тобто для отримання точності, прийнятної для практичних розрахунків параметрів ЕЕДВ, необхідно розв’язувати двовимірну нестаціонарну теплову задачу.

Розподілення теплового потоку q(r,t) за умов ЕЕДВ може бути, як показано на рис. 6, представлене залежністю

, (6)

де r0 – радіус одиничної ерозійної лунки; r – поточна відстань від центра симетрії джерела тепла; q?(t) – залежність густини теплового потоку від тривалості розряду.

Залежність q?(t) для кожної тривалості розряду визначається шляхом апроксимації експериментально отриманих графіків.

В загальному випадку математична постановка теплової задачі для умов ЕЕДВ зводиться до розв’язку осесиметричної квазітрифазної нелінійної задачі теплопровідності з рухомими границями фаз (задача Стефана). В циліндричній системі координат вихідна система рівнянь має такий вигляд:

,

(7)

, ,

де T1(r, z, t) – температурне поле твердої фази електрода; T2(r, z, t) – температурне поле рідкої фази електрода; ? – густина матеріалу електрода; C1(T), ?1(T) – питома теплоємність та коефіцієнт теплопровідності твердої фази матеріалу електрода; C2(T), ?2(T) – питома теплоємність та коефіцієнт теплопровідності рідкої фази матеріалу електрода; ?(t) – положення рухомої границі між рідкою та твердою фазами матеріалу електрода; ?(t) – рухома границя випаровування матеріалу електрода.

Початкові умови: (8)

Граничні умови:

(9)

.

Умови на рухомих границях фаз:

при

(10)

при

, (11)

де Tпл, Tвип – температури плавлення та випаровування матеріалу електрода; Lпл , Lвип – питома теплота плавлення та випаровування матеріалу електрода.

В поставленій задачі Стефана (7) – (11) значення С, ? , ? є суттєво нелінійними та розривними (точки фазових переходів) функціями температури матеріалу електрода, яка за умов ЕЕДВ змінюється від температури робочого середовища до температури випаровування. У зв’язку з цим теплофізичні параметри зручно задавати у вигляді приблизних функцій, що згладжують розриви в точках фазових переходів чи табуляційних значень із певним кроком по температурі. Врахування теплоти фазових перетворень та зміни теплофізичних параметрів у відповідному діапазоні температур призводить до нелінійних залежностей (10), (11) на рухомих границях фаз. Тому для розв’язання поставленої задачі Стефана було застосовано добре досліджений та достатньо обґрунтований скінченнорізницевий метод з поздовжньо-поперечною скінченнорізницевою схемою та згладжуванням коефіцієнтів. Чисельне моделювання теплових процесів у зоні дії електродних плям розряду проводили для області енергетичних характеристик одиничних іскрових розрядів, параметрів балансу енергії в МЕП та геометрії ерозійних лунок, експериментально досліджених у розділі 3. Такий підхід забезпечує контроль та перевірку достовірності математичної моделі шляхом порівняння результатів розрахунку та експерименту. Базові результати чисельного моделювання представлено на рис. 7.

З графіків видно, що в обраному діапазоні зміни параметрів одиничного іскрового розряду найбільший вплив на об’єми як випаруваної, так і рідкої фази матеріалу анода (Сталь 45) мають просторово-енергетичні характеристики каналу розряду, тобто площа дії плоского висококонцентрованого джерела тепла та загальна енергія, що виділилася на електроді (Еа). При цьому фактично домінує площа дії плоского джерела тепла. Отримані розрахункові дані узгоджуються з експериментом із похибкою, що не перевищує 10 % у всьому дослідженому діапазоні. Таким чином, у рамках теплової гіпотези розв’язана об’ємна нестаціонарна теплова задача, що дозволяє для відомих теплофізичних характеристик матеріалу електрода визначити температурне поле та форму “ізофазних” поверхонь (рис. 7) на ділянках електрода, що контактують з плазмою каналу розряду залежно від розподілу інтенсивності осесиметричного джерела тепла як у просторі, так і в часі. Це дозволяє здійснити синтез джерела тепла, що забезпечить максимальну ерозійну руйнацію електрода за рахунок отримання максимальних об’ємів “ізофазних” поверхонь, відкриває шлях до мінімізації енергетичних затрат на обробку того чи іншого матеріалу та керування характеристиками оброблених поверхонь. Недоліком розробленої математичної моделі є неможливість врахування характеру дії сил, що обумовлюють видалення металу з ерозійної лунки. Якщо при випаровуванні механізми викиду матеріалу достатньо зрозумілі, то при плавленні маємо більш складну ситуацію, пов’язану з труднощами врахування гідродинамічних ефектів. Варто відзначити, що об’єми матеріалу який зазнав фазових перетворень в 1,8 – 2,2 разу перевищують об’єми випаруваного матеріалу електрода, хоча у видалених продуктах ерозії частка рідкої фази знаходиться в межах 5 – 30 %, тобто перехід у рідкий стан ще не означає видалення матеріалу електрода з ерозійної лунки. Це