УДК 621.9.048.4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТА
И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКЕ
Представлены данные по теоретическому определению остаточных напряжений, износа инструмента и производительности при электроэрозионной обработке. Выявлены основные факторы, оказывающие влияние на перечисленные параметры.
Электроэрозионная обработка основана на процессе электрической эрозии, в результате которого происходит удаление материала с поверхности изделия. Поверхность электродов разрушается вследствие плавления и частичного испарения материала.
На величину и глубину залегания технологических остаточных напряжений (ТОН) при электроэрозионной обработке влияют тепловой фактор процесса обработки sт и фазовые превращения sф, протекающие в зоне обработки.
Влияние теплового фактора. Тепловой фактор может привести к формированию на поверхности как растягивающих ТОН, так и сжимающих.
При локальном нагреве материала его тонкий поверхностный слой быстро нагревается на небольшой площади до очень высоких температур. В начальный момент времени поверхностный слой с температурой q1 увеличивает свой объем в результате теплового расширения (рис. 1 а), нижележащие слои с меньшей температурой q0 препятствуют этому и создается устойчивое состояние, при котором верхний слой расширен вследствие тепловой деформации eтепл, а нижний −растянут им из-за пластической деформации eпласт (рис. 1 б). Затем верхний слой остывает и стремится занять исходный объем (рис. 1 в), но нижний − этому препятствует, в результате создается новое устойчивое состояние, при котором верхний слой находится в состоянии упругого растяжения, т. е. его длина меньше номинальной после пластического растяжения. Следовательно, верхний слой испытывает растягивающую нагрузку со стороны нижнего (растягивающие ТОН s0<0), а нижний - сжимающую нагрузку со стороны верхнего (сжимающие ТОН s0>0) (рис. 1 г).
Влияние фазовых превращений. Если фазовые превращения, протекающие при обработке, сводятся к превращению g - фазы (ГКЦ - решетки) в a - фазу (ОЦК - решетку), то формируются сжимающие ТОН, если наоборот – растягивающие.
Рис. 1. Влияние теплового фактора при локальном нагреве материала заготовки
Таким образом, уравнение, описывающее формирование суммарных ТОН s0, имеет вид
s0=±sт±sф.
Для расчета фазовой составляющей ТОН можно воспользоваться методикой [1], для расчета тепловой составляющей ТОН - зависимостью
,
где sт – тепловая составляющая ТОН, МПа; a - коэффициент линейного расширения материала; Е – модуль упругости материала; q1, q0 – температуры обработки и сравнения (q0=20° С).
Износ электрода-инструмента. Факторы, влияющие на износ электрода-инструмента при электроэрозионной обработке, представлены на рис. 2.
 |
Рис. 2. Факторы влияющие на износ электрода-инструмента
Учитывая приведенные факторы и зная, какой объем металла удаляется с поверхности за один импульс [2], можем определить объемный износ электрода – инструмента.
Объем материала, удаляемого с поверхности за один импульс,
,
где U – напряжение, В; I – ток, А; tи – длительность импульса, с; h1 – коэффициент, показывающий, какое количество энергии идет на разрушение электрода-инструмента (можно рассчитать по методике, представленной в [3]); си – удельная теплоемкость материала инструмента, Дж/кг·К; rи – плотность материала инструмента, кг/м3; Тпли – температура плавления материала инструмента, К.
Усредняя по времени значения тока и напряжения и зная объем материала, удаляемого за один импульс, можем найти объемный износ электрода-инструмента в единицу времени
,
где g - объемный износ электрода-инструмента, мм3/мин.
Таким образом, из полученной теоретической зависимости видно, что износ электрода-инструмента зависит от свойств материала инструмента, режимов электроэрозионной обработки и свойств обрабатываемого материала, которые учитываются при расчете коэффициента hи.
Производительность электроэрозионной обработки. На производительность при электроэрозионной обработке влияют следующие факторы:
1) физико-механические свойства обрабатываемого материала;
2) физико-механические свойства материала электрода-инструмента;
3) режимы электроэрозионной обработки (ток, напряжение, длительность импульса);
4) свойства диэлектрической жидкости.
Для определения производительности необходимо знать глубину лунки, образующейся в результате электроэрозионной обработки, которую можно определить по зависимости [2]
.
Зная, что данная глубина лунки образуется в результате единичного импульса, и зная величину припуска, который необходимо удалить, а так же принимая во внимание перекрытие соседних лунок, можем определить производительность электроэрозионной обработки.
,
,
где Q – производительность электроэрозионной обработки, мм3/мин; b - коэффициент перекрытия лунок (1,15); hи – коэффициент полезного использования энергии импульса [3]; Тпл – температура плавления обрабатываемого материала, К; сд - удельная теплоемкость материала детали, Дж/кг·К; rи – плотность материала детали, кг/м3.
Таким образом, видно, что на производительность процесса электроэрозионной обработки влияют все перечисленные факторы. Причем основное влияние оказывают режимы обработки, остальные факторы влияют меньше. При выводе расчетных зависимостей для производительности не был учтен износ электрода - инструмента, с увеличением которого будет возрастать и длительность обработки.
В заключение следует отметить, что с помощью полученных теоретических зависимостей можно рассчитывать остаточные напряжения, износ инструмента и производительность процесса электроэрозионной обработки еще на стадии технологической подготовки производства; это, в свою очередь, позволяет по заданным значениям указанных параметров выбирать режимы обработки и инструментальный материал.
Список литературы
1. Албатачнев, остаточных напряжений при механической обработке и эксплуатации: труды междунар. науч.–техн. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения». Ч. 3 / . – Орел, 20с.
2. Суслов, и расчет шероховатости поверхности деталей при электроэрозионной обработке. Прогрессивные технологии и системы машиностроения: междунар. сб. науч. трудов/, . – Донецк: ДонГТУ, 2000. - Вып. 10. – С. 239 – 244.
3. Артамонов, и электрохимические методы обработки материалов: учеб. пособие. В 2 т. Т.1/ , , [и др]. – М.: Высш. шк., 1983. – 247 с.: ил.
Материал поступил в редколлегию 20.02.06.
