ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроении при изготовлении высокоточных деталей из труднообрабатываемых материалов все шире используются так называемые нетрадиционные методы обработки (НМО). Они включают в себя электроэрозионную, размерную электрохимическую, ультразвуковую, лучевую и комбинированную обработки.

Первоначально эти методы использовались преимущественно в оборонной промышленности в тех случаях, когда требовалось обеспечить необходимые показатели обработки невзирая на затраты на изготовление. Однако появление новых прогрессивных технологий и анализ накопленного промышленного опыта позволили создать технологические процессы с применением электрофизико-химических методов и для изделий необоронных отраслей. Следует отметить, что при этом достигаемые экономические показатели выгодно отличаются от аналогичных для традиционных методов обработки.

Данное пособие позволяет студентам получить практические навыки проектирования технологических процессов и оснащения электрических методов обработки, получивших наибольшее распространение в машиностроении.

1.Лабораторно-практическая работа №1. Определение оптимального режима обработки непрофилированным электродом

Цель работы: освоение методики определения оптимального режима обработки непрофилированным электродом с последующей экспериментальной проверкой результатов расчета

Оборудование, приборы, инструменты

1. Станок модели 4531 с источником питания и пультом управления

2. Тестер

3. Микрометр

4. Линейка масштабная

5. Микрокалькулятор

1.1 Общие сведения

В основу расчета положен экономический анализ, показывающий при каких условиях с наименьшими затратами будет получена заданная шероховатость поверхности и снят измененный слой.

После обработки контура непрофилированным электродом на каждом режиме получится определенная шероховатость, в зависимости от которой изменяются затраты на доводку (таблица 1.1). Чем чище поверхность после обработки, тем меньше трудоемкость чистовой операции, но, соответственно, выше затраты на изготовление контура непрофилированным электродом.

Для расчета выбран контур средней сложности. Доводка контура выполнялась пастой карбида бора слесарным путем. Как видно из таблицы 1.1, суммарная трудоемкость сначала снижается вследствие резкого уменьшения затрат на доводку, а затем возрастает. При некоторой шероховатости поверхности суммарная трудоемкость получается наименьшей. Эта шероховатость зависит от сложности обрабатываемого контура: для штампов простой конфигурации она смещена к большим высотам неровностей. Для твердосплавных штампов целесообразно выбирать шероховатость поверхности после обработки непрофилированным электродом в пределах R_Z = 5,65 – 1,8 мкм. При этом трудоемкость слесарной доводки контура с целью снятия измененного слоя и получения шероховатости поверхности R_Z = 1,5 мкм составляет до 80% от времени изготовления его непрофилированным электродом.

Таблица 1.1.

Выбор оптимальной шероховатости поверсти (материал - сплав НК20, толщина заготовки – 10 мм, длина контура - 80 мм)

Высота неровностей RZ	Трудоемкость обработки не профилированным электродом, ч	Трудоемкость доводки, ч	Общая (суммарная) трудоёмкость, ч
9,00	3,8	12,4	16,2
7,15	4,4	8,6	13,0
5,65	5.1	4,1	9,2
4,50	5,8	3,8	9,6
3,60	6,6	3,3	9,9
2,85	7,3	3,0	10.3
2,25	8,0	2,7	0,7
1,80	9,4	2,0	11,4
1,50	13,7	-	13,7

Тогда при выбранной величине шероховатости можно определить емкость конденсаторов рабочего контура, которая при данном напря­жении обеспечивает получение Заданного качества поверхности.

1. Шероховатость поверхности

При обработке металлов электроискровым методом рельеф поверхности имеет специфический характер: даже в случае обработки на чистовых режимах наблюдаются произвольно расположение лунки. размер их зависит от материала электродов, электрического режима и других факторов.

Размеры лунок возрастают при увеличении энергии единичных им­пульсов и снижении частоты их следования. Количественная сторона может быть оценена измерением микронеровностей. В качестве крите­рия оценки принята высота неровностей R_Z по ГОСТ 2789 - 81, измеренная на профилографе-профалометре модели 201. Величина R_Z ближе к наибольшей возможной глубине лунки, поэтому, ориентируясь на

R_Z = ,

где С – ёмкость конденсаторов, мкф;

U – напряжение на электродах, В;

- коэффициент перекрытия лунки;

К₁ – коэффициент, зависящий от среды и материалов электродов;

К₂ – коэффициент, зависящий от продолжительности и плотности материалов электродов.

Обозначая через К₃ получим

R_Z = К₃ C^4/3 U^2/3

Коэффициент К3 для принятых условий обработки будет зависеть лишь от материала анода. Численная величина коэффициента К3, определяемого экспериментально для каждого из материалов, приведена в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Величина коэффициента К₃ для различных материалов

Материалы анода	ВК20	ВК15	НК8	Т16К6	У10А	ХВГ	Х12М	Р9К5
Величина коэффициента	0,298	0,251	0,214	0,203	0,417	0,395	0,395	0,350

1.1.2.Производительность процесса

Ёмкость конденсаторов влияет на величину энергии единичных импульсов и частоту их следования, т.е. на те факторы, от которых зависит съём материала с анода-детали.

Производительность процесса может быть выражена так:

где W_Ц – энергия единичного импульса.

f - частота следования импульсов;

К₄ - коэффициент, зависящий от рабочей среды, материала, размеров электродов и продолжительности импульсов.

Один и тот же объем материала можно снимать или подводом импульсов большой энергии и малой частоты, или при большой частоте малыми долями. Существует некоторое оптимальное сочетание частоты и энергии импульсов, при котором достигается наивысшая производительность и процесс протекает стабильно.

При этом следует брать для каждой величины емкости C ток короткого замыкания J_к.з., при котором производительность близка к максимальной и достигается наиболее высокое качество поверхности. Для твердого сплава такая зависимость может быть выражена следующей эмпирической формулой:

J_к.з = 0,5+0,62C.

Тогда для оптимального режима обработки производительность без учета ширины паза найдем, как

Q=K₅ J_к.з U.

Величина коэффициента K₅ приведена в таблица 1.3.

Таблица 1.3.

Величина коэффициента K₅ для различных материалов,

мм² /сВА

Твердые сплавы				Стали
ВК20	ВК15	ВК8	Т15К6	У10А	Х12М	ХВГ	Р9К5
5,42 10-4	5,23 10-4	5,00 10-4	4,73 10-4	6,75 10-4	5,33 10-4	5,60 10-4	5,28 10-4

Полученная величина К₅ справедлива для расчета производительности в диапазоне толщин до 25 мм. Для больших толщин К₅ корректируется коэффициентом К_б (таблица 1.4.).

Коэффициент К₅ справедлив до 130 В. Практически целесообразно применять напряжение 80-120 В. причем для чистовых операций выбираются меньшие значения. Из формулы (1.1) видно, что качество поверхности в значительно большей степени зависит от напряжения, чем от емкости, а производительность приблизительно в ранней степени от силы тока короткого замыкания (при оптимальном режиме численно близкой величине емкости) и напряжения. Потому для чистовых операций следует выбирать напряжения до 80-110В; при этом достигается высокая производительность и хорошее качество поверхности.

Таблица 1.4

Величина коэффициента К_б для различных диаметров проволоки – катода и толщин заготовок

Диаметр проволоки, мм	Толщина заготовки, мм
	25-30		30-35
	Твердые сплавы	Стали	Твердые сплавы	Стали
0,10	0,94	0,89	0,93	0,875
0,15	0,96	0,92	0,945	0,90

1.1.3.Натяжение проволоки и скорость ее перемотки

Наиболее эффективно проволока расходуется при наименьшей возможной скорости ее перемотки, которая зависит в свою очередь от электрического режима, натяжения электрода и ряда других факторов.

На рисунке 1.1 приведена расчетная схема, показывающая воздействие различных сил при единичным разряде, приложенном в средней точке между опорами.

Расчет выполняется для средней энергии единичного импульса

,

Рис.1.1 Расчетная схема

действия сил при единичном разряде:

Р - сила единичного разряда; Р_н - сила натяжения проволоки;

Р_г - горизонтальная составляющая натяжения;

Е – величина прогиба проволоки под действием силы Р, приложенной на расстоянии А/2 от опор; Ψ- угол между направлением силы Р_н и вертикальной составляющей; А-расстояние между опорами

где С – емкость конденсаторов рабочего контура, мкф;

U – напряжение, В.

Тогда для векторных допущений (не учитывается компенсирующее воздействие сил других разрядов и т.д.) из рис. 1.1 следует:

(1.2)

Для получения устойчивого первоначального положения проволоки необходимо, чтобы сила была больше или равна возмущающим силам воздействия импульса. Для расчета достаточно принять равенство сил и .

Сила P, действующая на поверхность электрода в электрическом поле, определяется как:

где Е – напряженность поля;

S - площадь единичной лунки;

t_u - длительность импульса.

Для практического использования эта формула сложна, поэтому применяется приближенная формула

, (1.3)

где -среднее за импульс давление на единицу поверхности лунки, рекомендуется принимать =106Н/м².

С незначительной погрешностью можно принять площадь поверхности лунки равной площади круга с диаметром лунки

,

где - диаметр единичной лунки.

Выразив диаметр единичной лунки через энергию единичного импульса, формулу (3) можно подставить в виде

, (1.4)

При обработке твердых сплавов

С учетом формулы (1.4) величина минимального натяжения проволоки P_Hmin может быть получена из формулы (1.2) следующим образом:

(1.5)

Под наименьшим натяжением проволоки понимаемся такое натяжение, при котором электрод под действием силы единичного разряда не колеблется.

Анализ формулы (1.5) показывает, что при Р_г=Р величина прогиба проволоки  должна быть равна нулю, тогда Р_Н→0, что практически невыполнимо, т.к. в этом случае Р_Н всегда превышает силу ее разрыва. Поэтому допускаются колебания проволоки на величину, гарантирующую свободное протекание процесса без замыкания между катодом и стенками паза детали:

.

Для рекомендуемого диапазона электрических режимов величина межэлектродного зазора:

Для сталей Q^’= 0,0075…0,014 мм;

Для твердых сплавов Q^’=0,0085…0,015 мм.

Практически следует выбирать =0,003…0,004 мм.

Вследствие малой величины 2/А с незначительной погрешностью можно принять в формуле (1.5)

sin arctg 2/A2/А.

Тогда формула (1.5) в окончательном варианте примет вид:

, (1.6)

где Р_Нр – начальное натяжение проволоки, необходимое для ее правки и для компенсации сил упругости (таблица 1.5).

Таблица 1.5

Величина начального натяжения проволоки-электрода Р_Нр, мН (материал проволоки – Л62)

Проволока-электрод	Диаметр проволоки, мм
	0,10	0,15	0,20	0,25	0,30
Твердая	200-300	600-700	1500-1600	2500-2700	4000-4200
мягкая	-	250-300	500-600	1700-1800	2800-2900

При использовании мягкой отожженной проволоки, где упругие напряжения невелики, начальная сила значительно ниже начальной силы натяжения твердой проволоки (табл. 1.5).

Полученная величина натяжения устанавливается на станке модели 4531 с помощью автотрансформатора, регулирующего момент сопротивления электродвигателя натяжения проволоки.

При расчетном натяжении сечение проволоки должно быть достаточным, чтобы исключить возможность обрыва. Наименьшее сечение проволоки S_min, необходимое для работы ее без обрыва, определяется как:

,

где  - удельная сила разрыва проволоки, Н/мм². Для латуни Л62 =372 Н/мм²;

k₈ – коэффициент, учитывающий влияние концентрации напряжения от воздействия эрозии. Для исследуемого диапазона диаметров проволоки величина k₈= 1,15…1,20.

Для получения на выходе проволоки из детали минимального его сечения необходимо назначит такую скорость перемотки проволоки, которая гарантирует при величине натяжения, рассчитанной по формуле (1.6), прочность проволоки после прохождения ее через зону обработки не ниже прочности на разрыв:

.

На оптимальных, с точки зрения производительности, режимах обработки, величина коэффициента k₄ для твердых сплавов изменяется в пределах k₄=(0,0058…0,0067)d_пр мм³/Дж.

Частота следования импульсов может быть определена экспериментально с помощью частотомера и равна:

,

где Е_u – напряжение источника питания станка;

U_K- напряжение в конце разряда;

U_пр –напряжение, при котором происходит пробой межэлектродного пространства;

R – сопротивление генератора.

В расчетах чистоту следования импульсов принимают равной 5000-7000Гц.

При расчетах возможно получение величины _{пр min}, выходящей за пределы ее регулирования на станке. В таком случае необходимо в качестве электрода применить проволоку большего диаметра. Практически целесообразно ограничить скорость перемотки величиной 11,7-13,3 мм/с . При расчете минимальной скорости перемотки может быть (d²_пр/4-S_min)<0, т.е. наименьшее необходимое сечение электрода будет больше, чем сечение поступающей в зону обработки проволоки. Это показывает, что при работе на выбранном электрическом режиме сечение проволоки недостаточно для создания минимального натяжения, необходимого для стабильного протекания процесса. В таком случае требуется взять электрод большего диаметра или же сделать режимы обработки более мягкими так, чтобы обеспечить возможность получения стабильного режима.