Введение
Электроэрозия – это разрушение поверхности изделия под действием электрического разряда. Основателями электроэрозионной обработки являются советские ученые технологи Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко.
Электроэрозионную обработку широко применяют для изменения размеров металлических изделий - для получения отверстий различной формы, фасонных полостей, профильных канавок и пазов в деталях из труднообрабатываемых материалов.
Различают несколько методов электроэрозионной обработки:
- копирование формы профилированного электрода-инструмента или его сечения. Данную операцию называют прошиванием. Существуют методы прямого и обратного копирования.
- огибание или обкат, т.е. сочетание перемещений заготовки и профилированного электрода. Этот метод редко применяют, но он позволяет получить деталь сложной формы при простой форме электрода-инструмента.
- разрезание заготовок и сложнопрофильная вырезка непрофилированным электродом-инструментом. Изготовление детали происходит путем взаимного перемещения указанного выше инструмента и заготовки.
1.Показатели качества поверхностного слоя
Электроэрозионная обработка сложных фасонных поверхностей подразумевает под собой процесс преобразования электрической энергии разряда, возникающего между двумя электродами разделенными слоем диэлектрика, в тепловую энергию, за счет которой происходит разрушение материала и формирование показателей качества поверхностного слоя деталей. Схема электроэрозионной обработки материалов приведена на рис.1 [1].
Рис. 1. Схема электроэрозионной обработки материалов:
1 – электрод-инструмент; 2 – обрабатываемая деталь; 3 – среда, в которой производится разряд;
4 – конденсатор; 5 – реостат; 6 – источник питания;
1р – режим электроискровой обработки; 2р – режим электроимпульсной обработки
По представленной схеме видно, что электрод-инструмент (1) и обрабатываемая деталь (2) помещены в жидкость с низкой диэлектрической проницаемостью (3). Для начала обработки нужно подать импульсное напряжение разной полярности либо электроискровой режим (1р), либо электроимпульсный режим (2р). Далее напряжением питания заряжается конденсатор (4), с помощью, которого происходит движение электрод-инструмента 1.
При превышении напряжения на конденсаторе потенциала зажигания разряда, происходит пробой жидкости. Жидкость нагревается до температуры кипения и образуется газовый пузырь из паров жидкости. Далее электрический разряд развивается в газовой среде, что приводит к интенсивному локальному разогреванию детали, приповерхностные слои материала плавятся, и продукты расплава в виде шариков застывают в проточной жидкости и выносятся из зоны обработки.
В результате соприкосновения электрод-инструмента и обрабатываемой деталью образуется поверхностный слой, с помощью которого определяется качество поверхности.
Для качественного выполнения служебного назначения детали необходимо обеспечить требуемые параметры качества поверхностного слоя, выполнение которых связано с существенными затратами при изготовлении.
Под качеством поверхностного слоя понимают геометрические и физико-механические параметры поверхностного слоя деталей машин.
К геометрическим параметрам, кроме показателей оценивающих микрогеометрию (шероховатость) поверхности еще относят показатели волнистости.
Экспериментальные и теоретические исследования проводились для определения взаимосвязи условий электроэрозионной обработки с параметрами волнистости и шероховатости поверхности [2, 3, 4].
На волнистость поверхности при электроэрозионной обработке влияет следующее:
- параметр, обусловленный влиянием исходной волнистости заготовки;
- параметр, обусловленный влиянием исходной волнистости инструмента;
- параметр, обусловленный влиянием колебаний технологических режимов обработки.
Учитывая приведенные выше параметры, были получены следующие зависимости для расчета параметров волнистости поверхности [2, 4]:
- Прямое и обратное копирование
- Обработка заранее подготовленных поверхностей
-
- Обработка в сплошном материале
- Разрезание, вырезание, шлифование и тп.
где – исходная волнистость заготовки;
– исходная волнистость инструмента; g - относительный объемный износ электрод инструмента, I – сила тока при обработке;Umax – максимальное напряжение при обработке Umax=U+DU, DU – перепад напряжения; Umin – минимальное напряжение при обработке Umin=U+DU; t – длительность импульса; h – коэффициент полезного действия энергии импульса; с – удельная теплоемкость обрабатываемого материала; r – плотность обрабатываемого материала; Т – температура плавления обрабатываемого материала.
Представленные зависимости были проверены экспериментально. В результате чего было установлено, что расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 20 %.
Для расчета параметров шероховатости были получены следующие уравнения взаимосвязи с параметрами электроэрозионной обработки [2, 3]:
где – коэффициент перекрытия лунок, I – сила тока, U – напряжение, подаваемое на электроды, hи – коэффициент полезного использования энергии импульса, t – длительность импульсов, с – удельная теплоемкость материала,
r – плотность материала, Тпл – температура плавления материала.
Данные зависимости были проверены экспериментально. В результате чего было установлено, что расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 20 %.
При электроэрозионной обработке в результате теплового фактора в поверхностном слое детали возникают остаточные напряжения [2, 5].
Влияние силового фактора при ЭЭО очень мало, поэтому на формирование технологических остаточных напряжений будет оказывать основное влияние тепловой фактор процесса обработки и фазовые превращения, протекающие в зоне обработки.
Тепловой фактор может привести к формированию на поверхности, как растягивающих технологических остаточных напряжений, так и сжимающих.
При локальном нагреве материала происходит быстрый нагрев тонкого поверхностного слоя материала небольшой площади на незначительную глубину до очень высоких температур. В результате этого в начальный момент времени поверхностный слой с температурой Т1 увеличивает свой объем в результате теплового расширения (рис. 2 а), нижележащие слои с меньшей температурой Т0 препятствуют этому, и создается устойчивое состояние, при котором верхний слой расширился вследствие тепловой деформации Eтепл и растянул нижний слой до пластической деформации Епласт (рис. 2 б). Затем верхний слой остыл и стремится занять исходный объем (рис. 2 в), но нижний слой этому препятствует, и в результате этого 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 слоя (растягивающие технологических остаточных напряжений s0<0), а нижний сжимающую нагрузку со стороны верхнего слоя (сжимающие технологических остаточных напряжений s0>0) (рис. 2 г).
Если фазовые превращения, протекающие при обработке, сводятся к превращению g фазы (ГКЦ решетки) в a фазу (ОЦК решетки), то технологических остаточных напряжений формируются сжимающие, если наоборот – растягивающие.
а) б) в) г)
Рис. 2. Влияние теплового фактора при локальном нагреве материала заготовки
Таким образом, уравнение описывающее формирование суммарных технологических остаточных напряжений s0 будет иметь вид:
где Е – модуль упругости первого рода; a - коэффициент линейного расширения материала; Аи – энергия импульса технологического тока; hи – коэффициент полезного использования энергии импульса; с – удельная теплоемкость материала; r - плотность материала; а – температуропроводность материала; t - длительность импульса; y – расстояние от источника тепла до рассматриваемого слоя; yпл – расстояние определяющее зону плавления материала; sТ – предел текучести материала.
Рассмотрев вопрос теоретического определения показателей качества поверхностного слоя при электроэрозионной обработке сложных фасонных поверхностей можно сделать вывод о том, что вышеприведенные теоретические зависимости позволяют еще на стадии технологической подготовки производства определить условия ЭЭО для обеспечения требуемых параметров качества поверхностного слоя деталей машин.
Заключение
В ходе проведения исследований видно, что на основные параметры качества поверхностного слоя деталей машин при электроэрозионной обработке оказывают влияние параметры технологического импульса, свойства материалов детали и инструмента, а так же свойства диэлектрической жидкости.
В настоящее время вопрос формирования качества поверхностного слоя фасонных поверхностей электроэрозионным методом является весьма актуальным и перспективным. Данный вопрос требует решить следующие задачи: описать физическую картину формирования качества поверхностного слоя при обработке сложных фасонных поверхностей при электроэрозионной обработке и установить взаимосвязь между параметрами электроэрозионной обработки и качеством поверхностного слоя.
