Сравнительный анализ двух вариантов электроэрозионной прошивки малых отверстий

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДВУХ ВАРИАНТОВ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ПРОШИВКИ МАЛЫХ ОТВЕРСТИЙ

© А.Ф. Бойко1, А.М. Лойко2

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Российская Федерация, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Сравнение двух вариантов электроэрозионной прошивки малых отверстий; определение эффективности применения прошивки с последовательным использованием двух режимов. МЕТОДЫ. Для сравнительной оценки точности двух вариантов прошивки применены экспериментальный и расчетный методы исследований. Для оценки точности обработки малых отверстий был разработан метод измерений диаметров в различных сечениях отверстий. РЕЗУЛЬТАТЫ. На основе результатов эксперимента был проведен сравнительный анализ двух вариантов электроэрозионной прошивки по разбивке отверстий на входе и выходе, а также конусности отверстий. ВЫВОДЫ. Установлено, что при двухрежимной прошивке отверстий существенно снижается разбивка, а также конусность отверстий, что позволяет расширить технологические возможности процесса. Ключевые слова: электроэрозионная обработка, прошивка малых отверстий, точность электроэрозионной прошивки, двухрежимная прошивка, энергия импульсов электроэрозионной обработки, разбивка отверстия, конусность отверстия, малые отверстия, эксперимент.

Формат цитирования: Бойко А.Ф., Лойко А.М. Сравнительный анализ двух вариантов электроэрозионной прошивки малых отверстий // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 11. С. 10-16. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-10-16

COMPARATIVE ANALYSIS OF TWO VARIANTS OF EDM DRILLING OF SMALL HOLES A.F. Boyko, A.M. Loyko

Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46 Kostyukov St., Belgorod 308012, Russian Federation.

ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is comparison of two variants of EDM drilling of small holes and determination of application efficiency of EDM-drilling with a sequential use of two modes. METHODS. An experimental and calculation research methods are used for comparative evaluation of the precision of two EDM drilling variants. A method for measuring diameters in different sections of holes has been developed to estimate the precision of small hole machining. RESULTS. Based on experimental results two EDM drilling variants have been compared by hole expansions at the inlet and outlet as well as by the taper of holes. CONCLUSIONS. It has been determined that the dual-mode EDM drilling of holes significantly reduces the expansion and taper of holes. This allows to extend the technological capabilities of the process.

Keywords: electrical discharge machining (EDM), EDM drilling of small holes, EDM precision, dual-mode EDM drilling, EDM pulse energy, hole expansion, taper of a hole, small holes, experiment

For citation: Boyko A.F., Loyko A.M. Comparative analysis of two variants of EDM drilling of small holes. Proceedings of Irkutsk State Technical university. 2017, vol. 21, no. 11, pp. 10-16. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-1016

Введение

Оригинальная статья / Original article УДК 621.9.048.4

http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2017-11 -10-16

В настоящее время в ряде отраслей промышленности (электронной, авиационной, медицинской, электротехнической и др.) существенно возросла потребность в

высокопроизводительной электроэрозионной обработке малых отверстий диаметром менее 0,3 мм в деталях из нержавеющих сталей. Особое значение получение таких

1

Бойко Анатолий Фёдорович, доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения, e-mail: boyko_1947@bk.ru

Anatoly F. Boyko, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology, e-mail: boyko_1947@bk.ru

2Лойко Алексей Михайлович, аспирант, e-mail: lam.bel@mail.ru Aleksei M. Loyko, Postgraduate student, e-mail: lam.bel@mail.ru

©

отверстий приобрело в производстве атравматических хирургических игл, топливных распылителей, деталей пневморе-гулирующей авиационной и ракетной тех-

«3 4

ники и других изделий34.

Исследованиям процесса электроэрозионной прошивки посвящено множество работ. Большинство из них сделали возможным оптимизировать процесс, установить взаимосвязь между входными параметрами процесса (режимами обработки, геометрическими параметрами обрабатываемого отверстия) и выходными (производительностью, износом электрода-инструмента, качеством обрабатываемого отверстия)3-6 [1-4]. В данной статье пред-

ставлены результаты малоизученного технологического приема: двухрежимной электроэрозионной обработки одного и того же отверстия. Сущность приема заключается в следующем: на первом этапе небольшая часть отверстия (около 15% от общей глубины) прошивается на «мягком» режиме, затем прошивка основной части отверстия производится на существенно более «грубом» высокопроизводительном режиме. При этом предполагается, что такой прием положительно скажется на точностных показателях процесса: разбивке отверстия на входе и выходе, а также конусности и овальности отверстия.

Материалы и методы исследования

Эксперимент был выполнен на электроэрозионном станке модели 04ЭП-10МФ2 [5]. В качестве электрода-инструмента использовалась вольфрамовая проволока диаметром 255 мкм (микрометр), в качестве обрабатываемого материала - стопка из 30 плотно прижатых друг к другу лезвий из нержавеющей стали 65Х13 общей толщиной 2,85 мм (толщина одного лезвия 95 мкм). Такая конструкция обрабатываемой заготовки позволяет точно измерять диаметр отверстия в различных сечениях по его глубине после прошивки. В качестве рабочей жидкости при обработке применялась водопроводная вода.

При проведении эксперимента про-

шивались две группы отверстий. Одна группа из четырех отверстий прошивалась на одном неизменном высокопроизводительном режиме с энергией импульсов 353 мкДж. Другая группа из четырех отверстий прошивалась с последовательным использованием двух режимов: вначале прошивка на глубину 0,4 мм осуществлялась на «мягком» режиме с энергией импульсов 21 мкДж, затем следовало переключение на высокопроизводительный режим с энергией импульсов 353 мкДж, на котором прошивалась насквозь остальная часть отверстия. Обработка проводилась при частоте электрических импульсов генератора 44 кГц. В процессе прошивки для стабилиза-

3Бойко А.Ф. Эффективная технология и оборудование для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий. Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. 314 с. / Boyko A.F. Effective technology and equipment for precision micro hole EDM drilling. Belgorod: Publishing house of the Belarusian State Technical University, 2010. 314 p.

4Домашенко Б.В. Разработка технологии и оборудования электроэрозионной прошивки капиллярных отверстий в атравматических иглах: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08. Белгород, 2007. 158 с. / Domashenko B.V. Development of technology and equipment for EDM drilling of capillary holes in atraumatic needles: Candidate's Disse r-tation in Technical Sciences: 05.02.08. Belgorod, 2007. 158 p.

5Пузачева Е.И. Совершенствование технологии малоизносной электроэрозионной обработки высокоточных малых отверстий: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.07. Брянск, 2015. 22 с. / Puzacheva E.I. Improvement of technology of low-wear electric discharge machining of high-precision small holes: Author's Abstract of the Candidate's Dissertation in Technical Sciences: 05.02.07. Bryansk, 2015. 22 p.

6Блинова Т.А. Разработка высокопроизводительной технологии электроэрозионной обработки малых отверстий в коллекторах: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08. Белгород, 2010. 145 с. / Blinova Т.А. Development of high-performance technology of EDM drilling of small holes in reservoirs: Author's Abstract of the Candidate's Dissertation in Technical Sciences: 05.02.08. Belgorod, 2010. 145 p.

ции процесса электроду-инструменту придавалась вибрация с частотой 380 Гц амплитудой 10 мкм.

Измерение диаметров отверстий

производилось на цифровом микроскопе ЬеуепИик й70Ц предварительно откалиб-рованном для определения размеров с помощью объекта-микрометра.

Результаты исследования

Результаты измерений восьми прошитых отверстий представлены в табл. 1 (значения диаметров отверстий даны в мкм).

По результатам измерений (см. табл. 1) видно, что наибольшая разбивка отверстий происходит на их входе и представляет собой разницу между диа-

метром отверстия и диаметром электрода-инструмента:

Ri = Dt-D:

ЭИ

где - диаметр на входе /-го отверстия; ЛЭИ - диаметр электрода-инструмента.

Результаты эксперимента Experiment results

Таблица 1

Table 1

Номер лезвия / Blade number Однорежимная прошивка

Отв. 1 / Hole 1 Отв. 2 / Hole 2 Отв. 3 / Hole 3 Отв. 4 / Hole 4 Отв. 5 / Hole 5 Отв. 6 / Hole 6 Отв. 7 / Hole 7 Отв. 8 / Hole 8

1 285 280 280 282 279 276 274 280

2 285 280 279 282 279 276 273 280

3 284 280 279 282 279 276 273 279

4 284 280 278 281 279 276 273 279

5 284 279 278 281 279 276 272 279

6 284 279 278 281 278 276 272 279

7 284 279 277 281 278 275 272 279

8 283 279 277 281 278 275 272 279

9 283 279 277 281 278 275 272 278

10 283 279 276 281 278 275 271 278

11 283 279 276 280 277 275 271 278

12 283 278 276 280 277 275 271 278

13 282 278 276 280 277 274 271 278

14 282 278 276 280 277 274 271 278

15 282 278 276 280 277 274 271 278

16 282 278 276 279 276 274 271 278

17 282 278 276 279 276 274 271 278

18 281 278 276 279 276 274 270 278

19 281 278 276 279 276 274 270 278

20 281 278 275 279 276 274 270 277

21 281 278 275 279 276 274 270 277

22 281 278 275 278 276 274 270 277

23 281 278 275 278 275 274 270 277

24 281 278 275 278 275 273 270 277

25 281 277 275 278 275 273 270 277

26 281 277 275 277 275 273 270 276

27 280 277 275 277 274 273 270 276

28 280 277 275 277 274 273 269 276

29 280 277 275 276 274 273 269 276

30 280 277 275 276 274 273 269 276

©

Соответственно, наименьшая разбивка // происходит на выходе отверстия:

т[ = й[- Яэи ,

где - диаметр на выходе /-го отверстия;

ЛЭИ - диаметр электрода-инструмента.

Для оценки различия разбивок двух групп отверстий, полученных однорежим-ной (отверстия 1-4) и двухрежимной прошивкой (отверстия 5-8) была составлена вспомогательная расчетная табл. 2.

Таблица 2

Расчетная таблица разбивок отверстий

Table 2

Calculation table of hole expansions_

Режим прошивки / EDM-drilling mode Однорежимная прошивка / Single-mode EDM-drilling Двухрежимная прошивка / Dual-mode EDM-drilling

Номер отверстия / Hole number 1 2 3 4 5 6 7 8

Диаметр отверстия на входе D, мкм / Inlet hole diameter D, ^m 285 280 280 282 279 276 274 280

Средний диаметр отверстия на входе Dav, мкм / Average inlet hole diameter Dav, Mm 281,75 277,25

Разбивка отверстия на входе R, мкм / Inlet hole expansion R, ^m 30 25 25 27 24 21 19 25

Средняя разбивка отверстия на входе Rav, мкм / Average inlet hole expansion Rav, ^m 26,75 22,25

Диаметр отверстия на выходе d, мкм / Outlet hole diameter d, ^m 280 277 275 276 274 273 269 276

Средний диаметр отверстия на выходе dav, мкм / Average outlet hole diameter dav, ^m 277 273

Разбивка отверстия на выходе г, мкм / Outlet hole expansion г, ^m 25 22 20 21 19 18 14 21

Средняя разбивка отверстия на выходе rav, мкм / Average outlet hole expansion rav, ^m 22 18

По данным табл. 2 видно, что средняя разбивка отверстий на входе при одно-режимной прошивке составляет 26,75 мкм, при двухрежимной - 22,25 мкм; на выходе -22 мкм и 18 мкм соответственно. Таким образом, двухрежимная прошивка в целом обеспечивает снижение разбивки отверстий относительно электрода-инструмента на входе отверстий на 4,5 мкм, на выходе -на 4 мкм.

Оценим существенность (значимость) различия средних значений разбивок двух вариантов прошивки отверстий по ¿-критерию Стьюдента. Для этого сначала определим расчетное значение ¿-критерия для разбивок отверстий на входе:

tp =

\Rav1-Rav2VJn

а 2+а.

где Яар1 - средняя разбивка на входе отверстий 1-4:

Ravi = 1Ti1 Rh = 107 =26,75 мкм ;

Rav2 - средняя разбивка на входе отверстий 5-8:

Ravi = -^Tl1 Ri2=j = 22,25 мкм ;

о? - дисперсия разбивок на входе отверстий 1-4:

а{ =

п1 — 1

- Ravi)2 =

i

= 5,58 мкм2 ;

16,75 4-1

а22 - дисперсия разбивок на входе отверстий 5-8:

а! =

22,75

1^(Ri2-Rav2) =4-1 =

= 7,58 мкм2 ,

где п1 = п2 = 4 - число отверстий в каждой группе; , К[2 - разбивка отверстий на входе, соответственно, для первой и вто-

рой групп отверстий; Иау1, Яау2 - средние значения разбивок отверстий на входе, соответственно, для первой и второй групп отверстий.

После подстановки составляющих формулы (3) получим расчетное значение ьр = 2,481. Табличное значение ¿-критерия Стьюдента при доверительной вероятности 0,95 и числа степеней свободы [ = п1 + п2-2 = 6 составляет ьт = 2,45 [6-8]. Так как ьр > ьт, то при заданных условиях различие средних значений разбивок отверстий на входе для двух вариантов прошивки отверстий следует считать существенным. При этом различие дисперсий разбивок а2 и о?2 оказалось весьма несущественным, так как расчетное значение Г-критерия Фишера:

7,58

5,58

- гораздо меньше табличного (^ = 9,3) [6-8], определенного для доверительной вероятности 0,95 и числа степеней свободы Д = [2 = п - 1 = 3.

Схожими оказались результаты статистического анализа для разбивок на выходе отверстий.

Таким образом, двухрежимная прошивка отверстий снижает разбивку отверстий на входе на 16,8%, на выходе отверстий - на 18,2% (см. табл. 2), что в ряде случаев повышает точность отверстий, а также при необходимости позволяет уменьшить на несколько микрометров диаметр получаемых отверстий при неизменном диаметре электрода-инструмента и режимов обработки.

Важнейшим параметром качества отверстия является его конусность. Для удобства расчетов в данных исследованиях конусность отверстия оценивается как разность диаметров отверстия на его входе и выходе. На базе экспериментальных данных (см. табл. 1) была рассчитана конусность для двух групп отверстий: 1-4 - од-норежимная прошивка; 5-8 - двухрежимная прошивка. Результаты расчета приведены в табл. 3.

2

1

1

П

1

1

П

1

1

1

Конусность отверстий Taper of holes

Таблица 3 Table 3

Режим прошивки / EDM-drilling mode Однорежимная прошивка / Single-mode EDM-drilling Двухрежимная прошивка / Dual-mode EDM-drilling

Номер отверстия / Hole number 1 2 3 4 5 6 7 8

Конусность отверстия Kt = Dt- dt, мкм / Taper of hole Kj = D,- - dj, |jm 5 3 5 6 5 3 5 4

Средняя конусность Kav в группе отверстий, мкм / Average taper Kav in a group of holes, jm 4,75 4,25

Из расчетной таблицы видно, что средняя конусность в первой и второй группах отверстий отличается незначительно (на 0,5 мкм). Таким образом, двух-режимная электроэрозионная прошивка мало влияет на физику процесса образования конусности, в основе которого лежат физико-химические явления в боковом межэлектродном промежутке, в том числе боковые электрические разряды, в основном - через продукты эрозии, а также электрохимическое анодное растворение материала поверхности отверстия, так как используемая в качестве рабочей жидкости вода является слабым электролитом. Математическая модель диаметра О, конусного отверстия в сечении, находящемся на расстоянии , от выходного торца отверстия диаметром б, может быть описана уравнением:

Оь = й + Кст • И,

где Кст = (Б - й)/Н - стандартная средняя конусность отверстия; Н - глубина отверстия.

В данном эксперименте значения стандартной средней конусности отверстий составляют:

Кст1 = 0,00167 - для первой группы отверстий; Кст2 = 0,00149 - для второй группы отверстий. Таким образом, при двухрежимной прошивке конусность снижается на 10,5% и модель зависимости О/,,) принимает следующий вид:

Оь = й + 0,00149 • И,

где й - диаметр отверстия на выходе; , - расстояние от выходного торца отверстия.

Отклонение расчетных значений О,, вычисленных по зависимости (10), от экспериментальных (см. табл. 1) не превышает десятых долей процента.

Выводы

1. Двухрежимная прошивка малых отверстий в экспериментах показала следующие преимущества:

- существенно снижается разбивка прошиваемых отверстий - на 4-4,5 мкм (17-18%), что расширяет технологические возможности процесса;

- конусность отверстий снижается в меньшей степени (на 10,5%), но в ряде случаев прецизионного машиностроения это достоинство является важным факто-

ром.

2. Полученное уравнение конусности позволяет рассчитывать диаметр отверстия в любом его поперечном сечении с точностью до десятых долей процента.

3. Разработанный метод оценки точности малых отверстий, условно названный авторами «методом лезвий», может найти широкое применение при исследовании и освоении производства новых изделий прецизионного машиностроения.

Библиографический список

1. Бойко А.Ф., Лойко А.М., Шестаков А.И. Особенности процесса естественной эвакуации продуктов обработки при электроэрозионной прошивке микроотверстий // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 11. С. 128-131.

2. Бойко А.Ф., Пузачева Е.И. Точность электроэрозионной прошивки микроотверстий // Технология машиностроения. 2012. № 6. С. 50-53.

3. Бойко А.Ф., Лойко А.М., Переверзев С.С., Шинка-рев И.Ю. Исследование многофакторной зависимости производительности процесса электроэрозионной прошивки микроотверстий // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 10. С. 143-149.

4. Лойко А.М., Бойко А.Ф. Исследование многофакторной зависимости износа электрода-инструмента и производительности процесса от материала электрода-инструмента при электроэрозионной прошив-

References

ке микроотверстий // Актуальные проблемы развития науки и современного образования: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (Белгород, 10 апреля 2017 г.). Белгород, 2017. С. 98-100.

5. Лойко А.М., Шинкарев И.Ю. Краткий обзор отечественного оборудования для электроэрозионной прошивки микроотверстий // Наукоемкие технологии и инновации: материалы Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых ( Белгород, 1-20 мая 2016 г.). Белгород, 2016. С. 2363-2368.

6. Погонин А.А., Бойко А.Ф., Блинова Т.А. Научно-исследовательская работа по специальности. Белгород: Изд-во БГТУ, 2009. 56 с.

7. Рогов В.А. Методика и практика технических экспериментов. М.: Академия, 2005. 282 с.

8. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.

1. Bojko A.F., Lojko A.M., Shestakov A.I. Features of process of natural evacuation of products of erosion in case of electrical discharge machining of microopen-ings. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehno-logicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova [The Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov]. 2016, no. 11, рр. 128-131.

2. Bojko A.F., Puzacheva E.I. Precision of electrical discharge machining of micro holes. Tehnologija mash-inostroenija [Technology of mechanical engineering. 2012, no. 6, рр. 50-53.

3. Bojko A.F., Lojko A.M., Pereverzev S.S., Shinkarev I.Ju. Research of multifactorial dependence of productivity at the electrical discharge machining of small openings. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova [The Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov]. 2016, no. 10, рр. 143-149.

4. Lojko A.M., Bojko A.F. Issledovanie mnogofaktornoj zavisimosti iznosa jelektroda-instrumenta i pro-izvoditel'nosti processa ot materiala jelektroda-instrumenta pri jelektrojerozionnoj proshivke mikroot-verstij [Study of the multifactor dependence of electrode tool wear and process productivity on the electrode-tool material under electrical discharge machining of micro holes]. Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii "Aktual'nye problemy razvitija nauki i sovremennogo obrazovanija" [Proceedings of

Критерии авторства

Бойко А.Ф., Лойко А.М. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

the International scientific and practical conference "Actual problems of science and modern education development", Belgorod, 10 April 2017]. Belgorod, 2017, pp. 98-100.

5. Lojko A.M., Shinkarev I.Ju. Kratkij obzor otech-estvennogo oborudovanija dlja jelektrojerozionnoj pro-shivki mikrootverstij [Short overview of domestic equipment for electrical discharge machining of micro holes]. Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh "Naukoemkie tehnologii i innovacii" [Proceedings of the International scientific and practical conference of young scientists "High Technologies and Innovation", Belgorod, 1-20 May 2016]. Belgorod, 2016, pp. 2363-2368.

6. Pogonin A.A., Bojko A.F., Blinova T.A. Nauchno-issledovatel'skaja rabota po special'nosti [Research work on specialty]. Belgorod: BGTU Publ., 2009, 56 p.

7. Rogov V.A. Metodika i praktika tehnicheskih jeksper-imentov [Methods and practice of technical experiments]. Moscow: Akademija Publ., 2005, 282 p.

8. Spiridonov A.A. Planirovanie jeksperimenta pri issle-dovanii tehnologicheskih processov [Planning an experiment when studying technological processes]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1981, 184 p.

Authorship criteria

Boyko A.F., Loyko A.M. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

Статья поступила 10.10.2017 г.

The article was received on 10 October 2017