Смоленцев В.П., А.И.Болдырев, Смоленцев Е.В. Теория электрических и физико-химических методов обработки - файл n6.doc

приобрести
Смоленцев В.П., А.И.Болдырев, Смоленцев Е.В. Теория электрических и физико-химических методов обработки
скачать (19739.8 kb.)
Доступные файлы (7):
n1.doc7166kb.24.10.2007 18:29скачать
n2.doc13444kb.23.01.2008 14:10скачать
n3.doc3313kb.24.10.2007 18:29скачать
n4.doc3436kb.24.10.2007 18:29скачать
n5.doc1172kb.24.10.2007 18:29скачать
n6.doc878kb.24.10.2007 18:29скачать
n7.doc48kb.24.10.2007 18:29скачать

n6.doc

  1   2   3
7. КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ (КМО)

С НАЛОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
7.1. Классификация физических воздействий для создания комбинированных методов обработки.

В основе всех методов обработки лежат известные физические явления, которые определяют технологические показатели процессов формообразования.

К таким воздействиям относятся: механические, тепловые, химические, магнитные, ядерные. Электрический ток, подаваемый в зону обработки, является источником энергии на технологические цели. В ряде случаев (например, при электрохимической размерной обработке) он интенсифицирует процессы, которые возможны и без подвода тока (например, разрушение металла за счет коррозии, химическое травление и др.).

К наиболее изученным и востребованным в технологии машиностроения относится механическое воздействие на объект обработки, которое имеет два вида: постоянное и импульсное (дискретное).

Постоянное воздействие применяется в большинстве процессов лезвийной обработки (при точении, сверлении, фрезеровании, протягивании и др.), в случае формообразования пластической деформацией (раскатка, дорнование, экструдирование и др.).

К импульсному воздействию относят обработку абразивным инструментом (шлифование, полирование, притирка и др.), пластическое деформирование ударным методом (ковка, штамповка, вибрационное упрочнение и др.), обработку с наложением ультразвуковых колебаний (размерная обработка, интенсификация процессов и др.).

Этот вид воздействий занимает более половины трудоемкости при изготовлении деталей машин, поэтому повышение его технологических показателей за счет комбинирования с другими видами воздействий может дать наибольший эффект и открывает новые возможности по расширению технологических возможностей производства при создании наукоемкой конкурентоспособной продукции.

Тепловое воздействие может иметь как самостоятельное технологическое приложение (термообработка, плавление, сварка и др.), так и сопутствовать при других процессах (нагрев изделий при механообработке, что может вызывать прижоги, выгорание элементов), придание материалам особых (например, магнитных) свойств и др. Следовательно, в большинстве известных технологических приемов речь может идти о комбинации нескольких воздействий, хотя в ряде случаев, например, появление источников тепла снижает качество изделий, в связи с чем необходимо принимать меры к устранению или локализации такого воздействия.

Тепловое воздействие лежит в основе ряда электрических методов обработки: электроэрозионной, лучевых. Здесь электрический ток образует мощные тепловые источники, способные разогревать и плавить материалы. Сопутствующим процессом является термообработка поверхностного слоя, изменяющая его характеристики и служащая способом повышения твердости и износоустойчивости. Таким образом электрические методы в основном являются комбинированными, хотя часто используют единое тепловое воздействие для различных технологических операций (формообразование, термообработка, в некоторых случаях – химико-термическое упрочнение).

Химическое воздействие используется при химическом травлении (например, для очистки заготовок, при полировании, формообразовании листовых материалов, получении неглубоких выемок, знаков и др.), нанесении покрытий (никелирование, хромирование, гальванопластика и др.), химико-термической обработке (цементация, цианирование и др.). Оно же лежит в основе электрохимической размерной обработки, протекающей за счет химических реакций преобразования (под действием энергии электрического тока) металлов в гидроокислы и выноса продуктов из зоны обработки динамическим воздействием жидкости (электролита). Таким образом, этот вид технологического приложения тока может быть отнесен к комбинированному методу (химическое и постоянное механическое воздействие).

Магнитное воздействие в большинстве случаев является структурной составляющей всех процессов, где используется электрический ток, т.к. при прохождении тока возникают электромагнитные поля различной интенсивности, которые могут составить часть комбинированного метода обработки с участием магнитного поля. Однако, определяющее влияние рассматриваемого вида технологического воздействия проявляется только в отдельных процессах, например, при полировании поверхностей ферромагнитными абразивными зернами, электромагнитной разделительной и объемной штамповке, механической очистке изделий от загрязнений, упрочнении деталей, а также в магнитных муфтах для передачи движений через стенки, средствах управления и автоматики. В комбинированных методах обработки самостоятельное магнитное воздействие используется весьма редко, поэтому подробно здесь не рассматривается. Более полную информацию по этому вопросу можно получить из справочников.

Ядерное воздействие на современном уровне исследований практически не изучено, хотя имеются сведения о положительном влиянии облучения на интенсивность резания труднообрабатываемых материалов, повышение предела усталостной прочности деталей, работающих при знакопеременных нагрузках. Есть основания считать, что под действием излучения происходят физические процессы на уровне атомов и молекул вещества, изменяющие внутреннюю энергию и напряжения, что может быть использовано для технологических целей в комбинированных методах обработки. Однако, в настоящее время неизвестны количественные показатели ядерного воздействия, а имеющиеся отрывочные сведения по качественным связям показателей процесса с технологическими возможностями недостаточны для использования ядерных воздействий в качестве составляющих факторов комбинированной обработки. Кроме того, при облучении необходимо учитывать возможное воздействие этого явления на живые организмы, и требуются особые меры защиты персонала, его охраны, создание дорогостоящих изолированных участков, что не во всех случаях экономически оправдано.

При разработке новых комбинированных методов может использоваться два и более воздействий, основные из которых приведены на рис. 7.1.

Под комбинированными методами будем понимать технологические процессы, в которых использованы виды воздействий, оказывающих существенное влияние на повышение технологических показателей проектируемого способа формообразования или изменение эксплуатационных характеристик изделий.



Рис. 7.1. Связи воздействий комбинированными методами обработки


Сочетание различных воздействий на объект обработки с наложением электрического поля позволяет повысить технологические возможности процессов и достичь результатов, открывающих возможность создания изделий нового поколения, не имеющих аналогов на мировом рынке.

Комбинированные методы обработки проектируют путем объединения рассмотренных выше физических воздействий: теплового, химического, механического, магнитного, ядерного. Электрическое поле является не только источником энергии, но и интенсифицирующим фактором, усиливающим значение базовых воздействий.

Примером может служить коррозия металлов, где за счет внутренних электрических токов происходит разрушение структурных составляющих сплавов. Подобный же механизм раскрывает процесс электрохимической размерной обработки, который происходит путем подвода внешнего тока большой величины, что приводит к ускорению съема металла на несколько порядков. Все известные способы обработки материалов представляют из себя комбинацию воздействий.

Как показано выше, механическое резание лезвийным и абразивным инструментом сопровождается тепловыми явлениями (нагрев, термические превращения материала и др.), химическими изменениями (химического состава сплавов, особенно в поверхностном слое, разложением материалов, переходом продуктов обработки в новое агрегатное состояние и др.), другими явлениями, замеченными, например, при облучении (ядерном воздействии) металлов на операциях разделения, когда за счет облучения скорость резания возрастает в несколько раз при снижении удельного расхода подводимой энергии.

При описании механизма протекания процесса комбинированной обработки с наложением электрического поля достаточно учитывать только основные воздействия, главным образом внешние, которые поддаются управлению, и некоторые виды взаимного влияния, вызванные изменениями показателей от внешних воздействий.

В зависимости от используемого электрического тока рассматриваются анодные, катодные процессы, а также методы обработки, протекающие при переменном токе.

Анализ возможных сочетаний известных воздействий позволяет утверждать, что из них можно спроектировать не менее 800 новых комбинированных процессов, обладающих существенными полезными свойствами. Однако, в настоящее время изучено или практически используется не более 20–30 таких технологических приемов, в основном при прямом подключении постоянного тока, где анодом является заготовка. Это составляет около 2% от возможного количества комбинированных методов.
7.2. Методика проектирования

На рис. 7.2 показаны внешние и внутренние факторы, определяющие технологические показатели практически используемых методов обработки, на базе которых можно комбинировать нетрадиционные гибкие технологии. На рис. 7.2 приведена та часть воздействий, которые оказывают внешнее влияние на процессы. Не показаны магнитные и ядерные составляющие, которые не оказывают заметного влияния на технологии.

К внутренним факторам относятся характеристики обрабатываемого материала, большинство которых является неотъемлемым свойством детали и не может корректироваться в целях повышения технологических показателей процесса. Исключением служит наклеп и отражательная способность поверхности, которые можно изменять в довольно широких пределах. Однако такие вариации не достаточны для эффективного управления процессом.

Из сказанного следует, что направленное управление процессом целесообразно осуществлять через внешние факторы. Связь между технологическими показателями и внешними воздействиями показана в виде комплекса, где возможно сочетание различных элементов.


frame2
Пр(М, Х, Мп, Mu, Tn, Я, МХ, MMn, MMu, МTn, МЯ, ХМп…)

Пг(М, Х, Мп, Mu, Tn, Я, МХ, MMn, MMu, МTn, МЯ, ХМп…)

Rz(М, Х, Мп, Mu, Tn, Я, МХ, MMn, MMu, МTn, МЯ, ХМп…)

T(М, Х, Мп, Mu, Tn, Я, МХ, MMn, MMu, МTn, МЯ, ХМп…)

Gi(М, Х, Мп, Mu, Tn, Я, МХ, MMn, MMu, МTn, МЯ, ХМп…)

U(М, Х, Мп, Mu, Tn, Я, МХ, MMn, MMu, МTn, МЯ, ХМп…)

Э(М, Х, Мп, Mu, Tn, Я, МХ, MMn, MMu, МTn, МЯ, ХМп…),
где производительность Пр, погрешность Пг, шероховатость Rz (или другой показатель), глубина измененного слоя Т, механические свойства обработанного материала Gi (или другой показатель), износ инструмента U, удельный расход электроэнергии Э зависят от магнитного М, химического X, механического постоянного Мп и эмульсионного Мu, теплового Тn, ядерного Я воздействия и их сочетаний. При ограниченной изученности взаимного влияния внешних воздействий построение полной математической модели оптимизации комбинированных процессов едва ли возможно. Однако, при определенных допущениях, оптимизация выбора внешних воздействий осуществима. В комплексах необходимо сохранить те воздействия, которые значимы для технологического показателя. При этом каждое из них может иметь множество технологических приложений.

Для магнитного воздействия (М) характерно отсутствие прямого влияния на показатели, но его присутствие изменит динамические характеристики абразивных частиц при механическом шлифовании, особенно на труднодоступных для инструмента участках. Возможно, что подобное влияние может обнаружиться и при других сочетаниях воздействий, когда количество составляющих будет 2 и более (например МХМn, MTnXMu). Для ядерного воздействия (Я) известно положительное влияние на тепловые процессы (например, на производительность электроконтактной резки в воздушной среде) и на усталостную прочность деталей, обработанных электрохимическим методом.

Для некоторых воздействий следует учесть инвариантность приложений. Например, тепловые факторы определяют технологические показатели всех видов лучевой и электроэрозионной обработки, которых в настоящее время известно и изучено не менее 7. Большое количество приложений имеет механическая обработка в комбинированных процессах.

При оценке значимости внешних воздействий приходится исходить из достигнутого уровня знаний и разделить факторы на следующие группы, присвоив им соответствующие индексы (в).

1. Воздействия, которые непосредственно не влияют на технологические показатели и могут не учитываться в комплексах (в=1).

2. Воздействия, которые существенно влияют на технологические показатели и должны быть учтены при их формировании (в=2).

3. Воздействия, которые изучены и в сочетаниях не влияют на технологические показатели (в=3).

Если в=3
М3…  Пр…

М2Х3… М2  Пр…

М3Х2Мn2… Х2Мn2  Пр…

М3Х3… Пр…
4. Воздействия, которые изучены и в сочетаниях влияют на технологические показатели (в=4).

Если в=4
М3Х4Мn4…  Х4Мn4…  Пр…

М3Х4…  Х4…  Пр…

М3Х4Мn4…  Х4Мn4…  Пр…
5. Сочетания, которые не изучены, но имеются аналоги для качественной оценки их влияния на технологические показатели (в=5).

Если в=5

М5Х4 Пр… при положительном воздействии

М5Х4 Пр… при отсутствии или отрицательном воздействии сочетания на показатели

6. Сочетания, которые не изучены и не известно их влияние на показатели (в=6). Здесь следует провести дополнительные исследования, простейшим из которых будет многофакторный эксперимент, позволяющий дать количественную оценку сочетаний. После чего их используют в комплексах по аналогии с в=5.

Для каждого технологического показателя (Пр, Пг и др.) вводятся ограничения, показывающие направления поиска комбинированных процессов. Ограничения могут быть следующие:

1. Один или несколько технологических показателей комбинированного процесса должны иметь предельное значение. Это возможно, если взаимное влияние внешних воздействий незначительно. Присвоим этому ограничению индекс S=1.

2. Часть показателей не являются значимыми для комбинированного процесса, но их следует сохранить на прежнем уровне или ограничить изменение в заданном интервале. К ним может относиться один или несколько показателей качества поверхности, механических свойств, расход энергии (в случае формообразования миниатюрных поверхностей). Индекс S=2.

3. Часть показателей нет смысла учитывать или их значения несущественны для комбинированного процесса. Примером может служить оптимизация износа инструмента, который для электрохимической размерной и лазерной обработки отсутствует, или показатели качества и механические характеристики детали при создании эрозионнохимического способа удаления сломанного инструмента. Индекс S=3. Тогда комбинированный процесс (КП) можно записать в виде
КП  (Прs, Пгs, Rzs, Ts, Gis, Us, Эs)
Здесь: если s=1 Пр1…Э1 КП

если s=2 - технологический показатель контролируют после формирования КП.

если s=3 Пр3...Э3 КП

Таким образом, КП рассматривается, как комплекс технологических показателей с индексом s=1.

Для проектирования комбинированного процесса следует установить технологические показатели, используя для этого функционалы

Пр = F( W11 + W22 + W33... )  mах

Пг = F(U1 + U2 + U3... )  min








Здесь W1… - мощность воздействия (индекс показывает номер воздействия ),

- коэффициент полезного действия 1, 2, 3... воздействия.

Если заявленные требования к комбинированному процессу затрагивают технологические показатели, в которых значения энергетических показателей имеют одно направление (к максимальному или минимальному значению), то возможно проектирование оптимального комбинированного процесса. В случае появления противоположного воздействия следует выбрать приоритетные технологические показатели или внести ограничения на их предельные изменения.

Следующим этапом формирования комплексов является выбор технологических приложений. При этом могут быть следующие случаи:

1. Известное технологическое приложение способствует достижению заданных технологических показателей (m=1), и его следует принять адекватным всему воздействию.

Если m=1
X1  ЭХО1  Пр … Э



Tn1  ЭЭО1, СЛО1  Пр … Э



ЭЭО1  ЭUсО1, ЭUмО1, ЭКОЖ1, ЭКОВ1  Пр … Э



2. Известное технологическое приложение не способствует положительному результату при создании комбинированного процесса (m=2).

Если m=2
ЭХО2  Пр, Пг ... Э



ЭЭО2  Пр, Пг ... Э


3. Известные технологические приложения оказывают как положительное (m=3) так и отрицательное или незначительное (m=4) воздействие на комбинированный процесс. В качестве базы для сравнения применено резание металлическим инструментом.
Если m=3 М4 Пр ... Э

m=4 ЭХО3 Пр, Пг, Rz, Т, Gi

ЭХО4  U, Э



УЗО3  Пр, Т, U, Э

УЗО4  Пг, Rz
4. Не установлено технологических приложений, способствующих достижению заданных технологических показателей комбинированного процесса. Тогда, исходя из характера известных воздействий, необходимо сформировать несколько новых сочетаний, изучить недостающие показатели и сформировать новый комбинированный процесс или дать ограничения по достижению требуемых технологических показателей.

С учетом известных технологических показателей комбинированный процесс может быть представлен в виде комплекса

КП  (М, ЭХО, УЗО, У, ИФР, РЛИ, РАИ, ИЛО, ЭЛО, СЛО, ЭИсО, ЭИмО, ЭКОЖ, ЭКОВ)
По мере изучения различных видов воздействия на объект будут появляться новые нетрадиционные технологические методы, которые послужат базой для создания перспективных комбинированных процессов.

Полученные результаты во всех случаях следует проанализировать на предмет вредного воздействия на жизнедеятельность человека. Если это имеет место и после всех охранных мероприятий процесс не укладывается в допустимые пределы, то следует выявить воздействия, вызывающие нежелательный эффект, предложить пути его устранения. В случае отрицательного результата необходимо найти адекватную замену вредного воздействия из числа известных или вновь разрабатываемых технологических приложений.

Алгоритм проектирования гибкого комбинированного процесса приведен на рис. 7.3.

Группируя внешние воздействия, можно создать классификатор известных комбинированных методов (рис. 7.4), проверить разработанную методику проектирования на отдельных примерах и далее начать создание теоретически осуществимых гибких комбинированных процессов. Часть представленных на рис. 7.4 методов не прошла промышленной апробации и может быть рекомендована к применению после всестороннего изучения процесса. Такие методы выделены в классификаторе двойной линией верхней полки обрамления.

При проектировании КМО должны быть учтены следующие ограничения:

Если S=1, то задано предельное значение технологического показателя;

При S=2 показатель не меняется или изменяется незначительно;

В случае S=3 – показатель не существенен.





Рис. 7.3. Алгоритм проектирования комбинированных процессов





Рис. 7.4. Классификатор известных КМО

Тогда структура комбинированного процесса (КП) может быть представлена в форме
КП (Прs, Пгs, Rzs, Ts, Gis, Us, Эs), (7.1)
где если S=1, то Пр1…Э1КП; если S=3, то Пр1…Э1КП.

С учетом ограничений формируются условия оптимизации процесса
Пр = F( W11 + W22 + W33... ) mах (7.2)
Пг = F(U1 + U2 + U3... ) min (7.3)
(7.4)
(7.5)

(7.6)
, (7.7)
где Wi – мощность i воздействия;

i – КПД i воздействия.
7.3. Механизм формирования взаимных воздействий КМО

Структура взаимных воздействий складывается с учетом сочетания различных факторов, наиболее полно удовлетворяющих требованиям заказчика КМО.

При поиске оптимального сочетания используют теорию делового конфликта и общий подход к проектированию процесса (раздел 7.2). При этом считают:

Предполагают:

Таким образом, проектирование КМО возможно в случае известных исходных условий (технологических показателей процесса) с ограничениями в форме предельных значений комбинированного процесса при оптимальном сочетании и количестве воздействий.
7.4. Обоснование и расчет технологических режимов типовых КМО

7.4.1. Эрозионнохимический метод (ЭХМ). Обоснование выбора воздействий

Рассмотрим некоторые примеры проектирования комбинированных технологических процессов. Одной из наиболее часто применяемых операций является формообразование отверстий. Применительно к каналам сложного сечения в труднообрабатываемых резанием сплавах чаще других методов используют электроэрозионное и электрохимическое прошивание. Оба метода обеспечивают достаточную для сборки точность, шероховатость, другие показатели, кроме производительности. Поэтому в техническом задании на прошивание должно быть указано требование получения наибольшей скорости подачи инструмента без выхода из допускаемых пределов других технологических показателей.

Из рис. 7.5 видно, что наибольшую производительность имеют электроконтактная, электрохимическая и электроимпульсная обработка, но, с учетом требования к качеству поверхности и точности, техническому заданию более полно соответствует электрохимическая размерная обработка, которую, очевидно, следует выбрать в качестве базовой при проектировании комбинированного процесса. Для достижения заданного в техническом задании показателя необходимо наметить пути интенсификации процесса. Из теории электрохимической размерной обработки известно, что для этого следует ускорить массовынос продуктов обработки.




Рис. 7.5. Технологические показатели базового метода механообработки и электрических методов

Увеличение скорости прокачки электролита возможно только до определенного предела, за которым наступает неконтролируемое возрастание погрешностей, сопровождаемое резким ростом энергопотребления. Депассивация поверхности позволяет достичь положительного результата. Для этого может быть использовано механическое постоянное и импульсное, а также тепловое воздействие. Механическую депассивацию поверхности при прошивании, особенно некруглых отверстий, практически осуществить сложно, поэтому этот вариант нами не рассматривается. Остаются электроискровая, электроимпульсная, ультразвуковая, светолучевая интенсификация. Электроимпульсная составляющая не обеспечивает требуемого качества поверхности, введение в зазор дополнительной энергии лучом лазера дает значительное возрастание производительности, но технически трудно осуществимо и возможно только для прозрачного электрода и электролита, что наблюдается лишь в начале обработки. Из-за этого светолучевая интенсификация процесса не нашла использования. В качестве средств интенсификации остаются электроэрозионная и ультразвуковая обработка. Использование электроэрозионного метода позволяет ускорить комбинированный процесс за счет удаления окисных пленок, продуктов обработки с поверхности электролизера микрообъемами жидкости, приобретающей большие ускорения в зоне разрядов. При этом такие пульсации малых объемов электролита не сказываются на точности. Однако, по мере углубления инструмента в деталь интенсификация процесса электроискровым методом быстро ослабевает и через несколько миллиметров практически прекращается, что действительно наблюдается при использовании электроэрозионнохимической обработки. Ультразвуковые колебания способствуют ускорению выноса продуктов обработки при любом углублении инструмента в деталь, но в начале обработки интенсивность съема существенно ниже, чем в предшествующем варианте из-за отсутствия концентрированных энергетических воздействий на поверхность в момент разряда. Возможно в дальнейшем удастся реализовать комбинированный процесс, включающий электроэрозионную и ультразвуковую обработку. Прототипом такого метода можно считать эрозионнохимическую прошивку с вибрацией инструмента. Существенным ограничением для использования ультразвуковых колебаний является отсутствие возможности перемещать инструмент значительных габаритов и массы, снижение жесткости подвижной системы и появление дополнительных погрешностей. В этом смысле низкочастотные колебания, хотя и менее эффективны, нашли большее применение из-за повышенного коэффициента использования энергии, простоты и надежности конструкции.
Обоснование и расчет достижимых показателей ЭХМ

В соответствии с техническим заданием в нашем случае главным из технологических показателей комбинированного процесса является производительность (для схемы прошивки это продольная подача). Решение задачи сводится к определению предельной (Lпp) глубины обработки, на которой наблюдается повышенный съем материала детали (за критерий принято изменение съема от установившегося значения на 5%), которую можно выразить как функцию () от параметров процесса.
Lпp = (Руд, Рn, Рж, S, Lc, Fтр), (7.8)
где Руд – удельная сила на окружающую среду в момент разряда;

Рn - давление внутри газового пузыря в конце его расширения;

Рж - давление на входе в межэлектродный зазор рабочей среды;

S - межэлектродный зазор;

Lc - длина участка по направлению движения рабочей среды в электролизере;

Fтр - коэффициент трения пузырьков со стенками электродов.

Предельная глубина зависит также от площади обработки, вязкости рабочей среды и других факторов. Расчеты, выполненные по физическим моделям, показали, что предельная глубина Lпp = (3,5 … 4) мм. Эксперименты, проведенные независимыми экспертами, дают значения от 3 до 5 мм (рис. 7.6).

Из рис. 7.6 видно, что расчет производительности по глубине обработки можно выполнять по уравнению Клеро, приведенного к параболической форме.

В диапазоне глубин от 0,5 до 3 мм можно считать изменение скорости линейным и рассчитывать ее через установившееся значение (глубина более 3,5 мм).

Погрешность комбинированной эрозионнохимической обработки () складывается из бокового зазора за счет эрозии (1),бокового анодного растворения материала детали (2), других факторов, влияющих на точность технологических систем (3).
= 1 + 2 + 3.
Боковой износ складывается из износа электрода-инструмента и расширения прошитого отверстия на величину со стороны входа инструмента. Поскольку анодный процесс не влияет на износ, а время обработки в целом и, особенно на начальном участке, сокращается, то в комбинированном процессе зазор будет заметно ниже. Боковой износ инструмента можно принять как износ только за счет электроэрозионного разрушения. Известно, что при электрозрозионной прошивке на электроде образуется боковой конус с углом =(0,3…0,5) градусов, причем с увеличением глубины конус снижается.




Рис. 7.6. Изменение производительности электроэрозионнохимической обработки по глубине отверстия: 1 – нержавеющий сплав;

2 – конструкционная сталь



Тогда = * L, где L - глубина обработки.

При интенсивной комбинированной обработке боковое расширение отверстия происходит в основном за счет анодного растворения, поэтому можно принять
.
Расширение отверстия происходит за счет анодного растворения и имеет наибольшее значение со стороны входа инструмента
, (7.9)
где - выход по току; - электрохимический эквивалент обрабатываемого материала; - плотность материала; - электропроводность электролита (преимущественно NaNO3); U – напряжение на электродах (40-70 В); U - потери напряжения; Vсрк - средняя скорость комбинированной обработки; Sбок – начальный боковой зазор на торце инструмента.
.
где Vко - скорость подачи в начале обработки; Vуст - скорость подачи на установившемся режиме после углубления электродом на величину Lпр; 3 - определяется стабильностью процесса, жесткостью технологической системы, точностью изготовления ее элементов и зависит от совершенства оборудования. Эта составляющая близка к той, которая приведена в справочниках для механической обработки.

Шероховатость поверхности (Rzk) после комбинированной обработки оценивают с учетом выравнивания выступов между лунками за счет анодного растворения.
, (7.10)
где Rz - высота неровностей после электроэрозионной обработки.
Rz = Кн Аup,
где Кн - коэффициент, для комбинированной обработки Кн=10...20;

Аu - энергия импульса;

Р - показатель степени, для комбинированного процесса, Р1/3;

S0 - начальный зазор, определяется пробойным напряжением. Для комбинированного процесса S0=0,05...0,1 мм;

Vk - скорость подачи инструмента при комбинированном процессе, определяется скоростью анодного растворения:

,
где Sт - торцевой зазор. В начале процесса обработки Sт=0,05-0,1мм, после углубления на установившемся режиме Sт=0,25 - 0,3 мм. Это объясняется ухудшением условий очистки зазора и наличием в нем большого количества токопроводящих продуктов электроэрозионной обработки, увеличивающих рабочий межэлектродный промежуток. Для глубины обработки большей Lпр здесь нет необходимости считать среднюю скорость, достаточно найти скорость подачи на установившемся режиме.

Шероховатость поверхности после комбинированной обработки несколько снижается по сравнению с электроэрозионной обработкой.

Природа образования неровностей и измененного слоя (Т) однотипна, поэтому для оценки глубины Т достаточно принять во внимание коэффициенты, учитывающие глубину лунки (Кн) и толщину слоя (Кт) после электроэрозионной обработки .

По известной высоте неровностей с использованием зависимостей [4] можно найти ожидаемое изменение усталостной прочности материала (), обработанного комбинированным методом .

После электрохимической обработки жаропрочных сплавов коэффициенты
А = 300 - 350, = - (0,1 - 0,15).
Для электроэрозионной обработки А, близки к указанным, поэтому усталостную прочность можно оценивать по шероховатости, которая после комбинированного процесса близка к показателям исходных процессов. Действительно, усталостные испытания не показали снижения этого показателя после комбинированной обработки. Износ электрода-инструмента обусловлен эрозией и определяется отношением потери материала с инструмента к объему, снятому с детали. При прошивке этот показатель можно взять как соотношение скоростей износа инструмента по длине и его продольной подачи. Тогда износ инструмента при комбинированной обработке (Ик) следует выразить через известный износ при электроэрозионной обработке (Иээо)
Ик = Иээо V/Vк, (7.11)
где V - скорость подачи при эрозионной обработке.

Из этого можно заключить, что на участке до предельной глубины (Lпр) при комбинированном процессе относительный износ инструмента будет значительно ниже по сравнению с электроэрозионной обработкой. Далее этот показатель ухудшится, но останется значительно лучше, чем при электроэрозионном процессе.

Расход энергии зависит от коэффициента полезного использования технологического тока при комбинированной обработке (к)
, (7.12)
где К - коэффициент, зависит от рабочей среды, материалов электродов, характеристики импульсов;

f - частота следования импульсов;

Iк - сила тока при комбинированной обработке.

Из анализа зависимости (7.12) можно судить, что при комбинированном процессе доля полезного использования энергии значительно превышает возможности электроэрозионной и близка к электрохимической обработке.

Аналогичный анализ следует провести для электрохимической обработки с наложением ультразвуковых и низкочастотных колебаний, энергии лазера и сделать сравнение результатов. Нами выяснено, что для отверстий с глубиной до 5 мм оптимальной является электрозрозионнохимическая, для более глубоких – электрохимическая обработка с наложением колебаний. При незначительных габаритах и массе зоны обработки предпочтительнее ультразвуковые колебания, при формообразовании крупных полостей и отверстий - используют низкочастотные колебания, которые хотя и дают меньший эффект, но требуют более простых узлов оборудования и имеют лучшие энергетические характеристики. Применение лазера ограничено, т.к. требует одноразового использования рабочей среды и не всегда гарантирует подвод луча в зону обработки. На рассматриваемой стадии развития исследований электрохимическая обработка с наложением лазера применялась в экспериментах для формообразования мелких полостей небольших габаритов.

Все рассмотренные процессы используют на электрохимических станках с подключением электродов к генераторам импульсов (эрозионно-химическая обработка, электрохимическая с наложением ультразвука) или установкой вибратора (чаще на механизм подачи электрода-инструмента), системы управления лучом лазера.

На диаграмме (рис. 7.7) показаны технологические показатели эрозионно-химического прошивания конструкционных сталей, которое достаточно полно изучено и по нему имеется достоверная информация для объективной оценки показателей спроектированного процесса [4].

Анализ рис. 7.7 показывает, что требования задания на комбинированный процесс выполнены: достигнута высокая производительность (особенно при малой глубине отверстий), сохранены приемлемая шероховатость и износ инструмента, улучшены или сохранены на исходном уровне остальные показатели.






a)

б)

в)

г)

д)




Рис. 7.7. Технологические показатели электроэрозионнохимического прошивания a) скорость прошивки б) погрешность формы и размеров отверстия в) шероховатость торцевой (слева) и боковой поверхности г) износ инструмента д) коэффициент полезного использования технологического тока: I - электроискровая, II - электрохимическая размерная; III - комбинированная обработка.


На рис. 7.7 приведены показатели спроектированного процесса и показаны его характеристики в сравнении с исходными методами обработки (электроискровым и электрохимическим). Рассмотрены достигнутые показатели производительности прошивки, которая вначале на порядок выше любого из базовых процессов, а затем сохраняется на уровне, превышающем аналогичный показатель анодного растворения. Очевидно, что для отверстий малой глубины средняя величина подачи во много раз превышает скорость перемещения инструмента при электроэрозионной и электрохимической обработке.

Погрешность, шероховатость и показатель использования подводимой энергии остались примерно на том уровне, что и для исходных методов. Износ инструмента (рис. 7.7) по сравнению с электроэрозионной обработкой снизился на порядок, а в начале процесса он приблизился к показателю безизносной схемы. Но, в отличие от нее, производительность комбинированного метода возросла, а не снизилась, как это свойственно безизносной схеме злектроэрозионной обработки.

Для обоснования правомерности выбора эрозионно-химической прошивки в качестве оптимального процесса приведены расчетные зависимости и наиболее эффективные режимы обработки других сравниваемых методов, а также достигнутые технологические показатели (см. табл. 7.1). Анализ показателей подтверждает правильность использования электроэрозионнохимической обработки для прошивки неглубоких отверстий.
7.4.2 Электроабразивная обработка (ЭАО)

Механизм ЭАО. Формируется на базе известного процесса шлифования, где имеют место импульсные механические воздействия. В зависимости от вида обрабатываемого материала и формы поверхности детали этот вид обработки может применяться при любой полярности тока (в том числе при переменной). С учетом технологических ограничений можно дать генеральные рекомендации по выбору полярности тока:

Таблица 7.1. Анализ выбора КМО при прошивке отверстий


Наименование метода

Режимы и расчетные технологические показатели

Достигнутые

показатели

Электрохимическая размерная обработка с наложением ультразвуковых колебаний

Напряжение - 10... 15 в

Частота колебаний 18... 22 кгц

Амплитуда колебаний - до 40 мкм

Скорость подачи инструмента Vк=Vэхо + Vузо,

где Vузо – скорость съема за счет ультразвуковой обработки и интенсификации процесса анодного растворения

Скорость прошивки - 2,5...3 мм/мин

Шероховатость - 2,5...3 мкм

Погрешность – 0,35...0,4 мм

Удельный расход энергии 100-120 квт. час/кг


Электрохимическая размерная обработка с наложением низкочастотных колебаний

Напряжение - 10... 15 в

Частота колебаний -10... 100 гц

Амплитуда (0,3...0,5)S0

Скорость прокачки рабочей среды Vж >2 м/с

Скорость подачи инструмента



где – показатель степени, учитывает воздействие колебаний (=1,2...1,3)

Скорость прошивки возрастает на 20%

Остальные показатели соответствуют электрохимической размерной обработке


Электрохимическая размерная обработка с облучением лазером

Напряжение - 6...8 В

Скорость подачи инструмента

,



Скорость прошивки в начале обработки возрастает до 20 раз
  1   2   3


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации