Full Text

Технология проволочно-вырезной электроэрозионной обработки (ПВЭЭО) позволяет изготавливать детали сложной геометрической формы с высокой точностью и низкой шероховатостью. Современные ПВЭЭ станки позволяют обеспечивать изготовление деталей, соответствующих 12-му классу шероховатости [1]. В связи с этим ПВЭЭО широко применяется на ведущих машиностроительных предприятиях. Процесс электроэрозионной обработки является сложным электрофизическим процессом [1-8]. Шероховатость обработанной поверхности при ПВЭЭО зависит от множества факторов: свойств рабочей жидкости, свойств обрабатываемого материала, свойств электрода-проволоки, параметров импульса (время включения и выключения импульса, напряжение в зазоре, сила тока и др.), скорости смотки проволоки, высоты обрабатываемой заготовки и др. [9-10]. Принимая во внимание множество факторов ПВЭЭО, влияющих на формирование шероховатости обработанной поверхности, для анализа взаимосвязи целесообразно применение методики планирования эксперимента [2, 5, 11]. В работах [11, 12] получены эмпирические модели, позволяющие оценить влияние режимов электроэрозионной обработки (время включения и выключения импульсов), высоты обработки и физико-механических свойств обрабатываемого материала на шероховатость обработанной поверхности после ПВЭЭО. В работах [11, 13-20] показано, что значение шероховатости Ra (мкм) обработанной поверхности обратно пропорционально скважности импульсов. При увеличении времени включения импульсов ton (мкс) и снижении времени выключения импульсов toff (мкс) увеличивается значение шероховатости обработанной поверхности. Установлено, что при ПВЭЭО материалов с высоким коэффициентом теплопроводности шероховатость обрабатываемой поверхности Ra (мкм) увеличивается. Увеличение высоты обрабатываемой заготовки ведет к увеличению шероховатости обработанной поверхности. При увеличении высоты обрабатываемой заготовки с 50 до 80 мм Ra (мкм) увеличивается в 1,1 раза. Полученная в работе эмпирическая модель позволяет оценить влияние лишь некоторых параметров процесса ПВЭЭО на шероховатость обработанной поверхности. Для расширения знаний в области изучения процесса ПВЭЭО и прогнозирования параметров качества обработанной поверхности необходимо провести дополнительные исследования. В работе [11] показано, что увеличение значения шероховатости при ПВЭЭО связано с неравномерностью распределения межэлектродного зазора (МЭЗ) в процессе обработки в связи с попаданием электроэрозионного шлама в канал пробоя. Чем больше площадь обрабатываемой заготовки, тем больше вероятность скопления шлама в канале пробоя. Наличие продуктов эрозии в канале пробоя является одной из причин возникновения дополнительных искровых разрядов между электродом-проволокой и металлическими частицами уже удаленного материала, что способствует неравномерному формированию шероховатости. На формирование дополнительных искровых разрядов в процессе обработки существенно влияют скорость смотки электрода-проволоки и напряжение в зазоре между электродами. Целью работы является экспериментальное исследование влияния напряжения и скорости смотки электрода-проволоки на формирование шероховатости обработанной поверхности при проволочно-вырезной электроэрозионной обработке. Экспериментальное исследование проводится по методу полного факторного эксперимента. Необходимое количество экспериментов N рассчитывается по формуле [17] (1) где n - количество уровней; k - число факторов. В качестве факторов, выбранных для проведения факторного анализа, определены следующие параметры: 1) напряжение в зазоре U (В); 2) скорость подачи проволоки v (м/мин). Варьирование факторов осуществляется на двух уровнях (верхнем и нижнем). Согласно уравнению (1) количество опытов равняется четырем. В табл. 1 представлены уровни факторов и их кодовые обозначения. Таблица 1 Уровни и интервалы варьирования факторов Факторы Обозначение Уровни факторов Интервал варьирования Верхний (+1) Основной (0) Нижний (-1) U, В x1 60 45 30 15 v, м/мин x2 5 3 1 2 Зависимость Ra (мкм) от исследуемых факторов представлена линейным уравнением вида (2) где y - показатель качества обработанной поверхности (шероховатость обработанной поверхности Ra); х1, х2 - кодированные значения факторов U, v соответственно; b - коэффициент регрессии. Для проведения экспериментов используются четыре обрабатываемых материала: 1) титан марки ВТ3 по ГОСТ 19807-91; 2) алюминий чистый Al по ГОСТ 4784-97; 3) сталь марки 09Г2С по ГОСТ 19281-89; 4) сталь марки 40ХН2МА по ГОСТ 4543-71. Коэффициенты теплопроводности λ (Вт/мК) представленных материалов приведены ниже. Коэффициенты теплопроводности материалов: Материал λ, Вт/мК Титан марки ВТ3 7,1 Алюминий чистый Al 9,4 Сталь марки 09Г2С 0,04 Сталь марки 40ХН2МА 0,14 Заготовки выполнены в виде листов прямоугольного сечения. Толщина одной заготовки 8 мм. Экспериментальное исследование проводилось на проволочно-вырезном электроэрозионном станке Eco Cut. Измерение шероховатости обработанной поверхности проводилось по ГОСТ 2789-73, в качестве оборудования выбран профилометр Mahr Perthometer S2. В качестве электрода-инструмента выбрана электроэрозионная проволока Berco Cut (диаметр 0,25 мм). Обработка проводилась в дистиллированной воде. Для повышения точности проведения экспериментов каждый опыт в середине интервала варьирования параметров повторялся три раза. Полученные эмпирические зависимости представлены в табл. 2. Таблица 2 Регрессионные модели Номер модели Обрабатываемый материал Эмпирическая модель 1 ВТ3 2 Al 3 09Г2С 4 40ХН2МА Анализ зависимостей (см. табл. 2) показал: 1. На формирование шероховатости поверхности при обработке титана марки ВТ3 и алюминия Al оказывают влияние все исследуемые факторы (напряжение в зазоре и скорость смотки проволоки), а также их совместное взаимодействие. 2. На формирование шероховатости поверхности при обработке сталей марок 09Г2С и 40ХН2МА оказывает влияние только один исследуемый фактор (напряжение в зазоре). При математической обработке регрессионных моделей коэффициенты, связанные с параметром «скорость подачи проволоки», считаются статистически незначительными и исключаются из уравнения регрессии, так как их значения по абсолютной величине получились намного меньше доверительного интервала. Стоит отметить, что причиной незначительного влияния скорости смотки проволоки при обработке сталей могла стать высота обрабатываемой детали. На основе полученных зависимостей построены графики зависимости шероховатости обработанной поверхности от параметров модели. На рис. 1 представлен график зависимости шероховатости Ra (мкм) обработанной поверхности ВТ3 от факторов, рассмотренных в модели. Рис. 1. Зависимость шероховатости обработанной поверхности титана от условий ПВЭЭО Из анализа графиков следует, что шероховатость поверхности прямо пропорциональна напряженности поля при обработке титана марки ВТ3. Увеличение напряженности поля приводит к увеличению значения шероховатости обработанной поверхности. Из проведенных экспериментов установлено, что процесс резания титана с минимальным напряжением поля характеризуется повышенной производительностью. Из графика видно, что при увеличении скорости смотки проволоки уменьшается шероховатость обработанной поверхности. Чем больше скорость смотки проволоки, тем быстрее происходит удаление продуктов эрозии из межэлектродного зазора. Отсутствие дополнительных искровых разрядов между электродом-инструментом и металлическими частицами уже удаленного материала способствует более равномерному формированию шероховатости обрабатываемой поверхности. Показано, что влияние скорости смотки проволоки на формирование шероховатости при обработке титана марки ВТ3 оказалась несущественной. График зависимости шероховатости обработанной поверхности алюминия от факторов, рассмотренных в модели, представлен на рис. 2. Рис. 2. Зависимость шероховатости обработанной поверхности алюминия от условий ПВЭЭО Из анализа графиков следует, что шероховатость поверхности обратно пропорциональна напряженности поля при обработке чистого алюминия. Увеличение напряженности поля приводит к уменьшению значения шероховатости обработанной поверхности. Для значения напряженности поля 30 В шероховатость поверхности заготовки из алюминия составляет 2,99 мкм. При увеличении напряженности поля до значения 60 В величина шероховатости повышается до значения 2,63 мкм. Из проведенных экспериментов установлено, что процесс резания с минимальным напряжением поля характеризуется повышенной производительностью. Из графика видно, что при увеличении скорости смотки проволоки уменьшается шероховатость обработанной поверхности. Чем больше скорость смотки проволоки, тем быстрее происходит удаление продуктов эрозии из МЭЗ. Отсутствие дополнительных искровых разрядов между электродом-инструментом и металлическими частицами уже удаленного материала способствует более равномерному формированию шероховатости обрабатываемой поверхности. Показано, что влияние скорости смотки проволоки на формирование шероховатости при обработке чистого алюминия оказалась несущественной. График зависимости шероховатости обработанной поверхности стали 09Г2С от напряженности поля U представлен на рис. 3. Рис. 3. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от параметра напряженности поля U при обработке стали 09Г2С Показано, что шероховатость поверхности прямо пропорциональна напряженности поля при обработке стали марки 09Г2С. Увеличение напряженности поля при обработке стали марки 09Г2С приводит к увеличению значения шероховатости обработанной поверхности. Для значения напряженности поля 30 В шероховатость поверхности составляет 1,00 мкм. При увеличении напряженности поля до значения 60 В величина шероховатости повышается до значения 1,33 мкм для стали марки 09Г2С. График зависимости шероховатости обработанной поверхности стали 40ХН2МА от напряженности поля U представлен на рис. 4. Рис. 4. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от параметра напряженности поля U при обработке стали марки 40ХН2МА Из анализа графика следует, что шероховатость поверхности обратно пропорциональна напряженности поля при обработке стали марки 40ХН2МА. Увеличение напряженности поля при обработке стали марки 40ХН2МА приводит к уменьшению значения шероховатости обработанной поверхности. Для значения напряженности поля 30 В шероховатость поверхности составляет 1,44 мкм. При увеличении напряженности поля до значения 60 В величина шероховатости повышается до значения 1,11 мкм для стали марки 40ХН2МА. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Получены эмпирические зависимости, позволяющие рассчитать шероховатость обработанной поверхности в процессе резания различных металлов. 2. При увеличении напряжения в зазоре U при обработке титана марки ВТ3 и стали марки 09Г2С шероховатость обработанной поверхности Ra (мкм) увеличивается. 3. При увеличении напряжения в зазоре U при обработке алюминия и стали марки 40ХН2М2 шероховатость обработанной поверхности Ra (мкм) уменьшается. 4. При увеличении скорости смотки проволоки v (м/мин) при обработке чистого алюминия и титана марки ВТ3 шероховатость обработанной поверхности Ra (мкм) уменьшается в малых диапазонах. 5. Установлено, что исследуемый параметр - скорость подачи проволоки v (м\мин) - при обработке сталей марок 09Г2С и 40ХН2МА не оказывает существенного влияния на формирование шероховатости обработанной поверхности.

About the authors

A. N Anikeev

South Ural State University

Email: anikeevml@mail.ru

T. R Abliaz

Perm National Research Polytechnic University

Email: lowrider11-13-11@mail.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 18

PDF (Russian) - 16

Refbacks

• There are currently no refbacks.