Параметры процесса обработки проволочным электродом с учетом действия автоколебаний инструмента

УДК 621.9.047

Машиностроение и машиноведение

ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ПРОВОЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯ АВТОКОЛЕБАНИЙ ИНСТРУМЕНТА

В.В. Золотарев, В.П. Смоленцев

В работе приведены исследования по увеличению толщины деталей, разрезаемых электродом-проволокой (ЭП) на электроэрозионном оборудовании и станках для комбинированной обработки. Для этого установлены закономерности механизма формирования низкочастотных автоколебаний проволоки в пазе и показаны условия, при которых такие перемещения инструмента могут быть ограничены или полностью исключены. Решена сложная проблема по созданию нового (на уровне изобретения) способа стабилизации процесса перемещения ЭП внутри паза большой длины. Здесь актуальным направлением работ в текущий период времени становится разработка оборудования и технологии, основанных на новых способах и устройствах, защищенных охранными документами. Для реализации созданного способа потребовалось создать методику расчета параметров процесса с учетом автоколебаний инструмента. Были научно обоснованы и определены границы по толщине обрабатываемого участка детали, где стабилизации процесса можно достичь путем натяжения ЭП и увеличения скорости ее перемотки. Однако такое решение позволяет охватить только часть номенклатуры деталей, где процесс обработки ЭП имеет несомненные преимущества. Приведенные материалы позволяют сформировать базу для расширения области использования новых технологических процессов в машиностроении и обеспечения конкурентоспособности создаваемых в этой области технических средств для электрических методов обработки.

Приведенные материалы использованы при создании перспективных изделий в авиакосмической отрасли, где электрические методы обработки наиболее актуальны и открывают возможность проектирования перспективных наукоемких изделий, изготовление которых традиционными методами невозможно или экономически неэффективно. Кроме того, приведенные результаты развивают технологию изготовления уникальных базовых деталей и узлов создаваемой продукции в различных областях машиностроения

Ключевые слова: проволочный электрод, автоколебания, толщина детали, стабилизация, параметры процесса

Введение

Известно, что с увеличением толщины заготовок постоянно снижается точность размеров и положение паза. Все попытки стабилизировать процесс за счет создания системы внешних опор и упругих элементов являются недостаточными для обеспечения точности обработки и стабилизации процесса разделения деталей повышенной толщины и сложности. Основной причиной нестабильности являются колебания электрода-проволоки (ЭП) в пазе, которые переходят в автоколебательный процесс, вызывающий появление местных дефектов типа врезок и в ряде случаев - брак деталей. Для расширения области использования ЭП на обработку деталей большой толщины требуются новые технологические и конструкторские приемы для управления положением проволочного электрода внутри разрезаемого паза, что позволяет стабилизировать процесс изготовления деталей.

Механизм формирования низкочастотных автоколебаний ЭП в пазе

Эксперименты, выполненные для различных диаметров ЭП, показали, что частота колебаний инструмента в пазе при большой толщине участка детали близка к частоте, установленной в [1; 2; 3; 4] для механической обработки. Если не принимать во внимание изменение массы т участка проволоки

Золотарев Владимир Викторович - ВГТУ, аспирант, e-mail: Z.V.V.220975@mail.ru

Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: vsmolen@inbox.ru

между опорами ЭП (близкого к толщине детали Н) и износ инструмента, то можно амплитуду колебаний от начального положения оси проволоки принять как А1п (рис. 1).

Vn

Рис. 1. Воздействие сил импульсов на проволочный электрод-инструмент (2) при обработке детали (1): Н - толщина зоны обработки; Рт - сила торможения движению проволоки на входе; Рн - сила натяжения проволоки (2) диаметром йп; Ц1 - скорость перемотки проволоки; £ Ри - суммарная приведенная сила воздействия на проволочный электрод-инструмент (2) импульсами разрядов при теоретически возможном наибольшем количестве импульсов; Бб - боковой межэлектродный зазор; А1п - прогиб ЭП По [1]

Мп=

где А 0 - амплитуда колебаний проволоки при разделении деталей малой толщины (для диаметра проволоки 0,2 мм толщина, как правило, менее 80 мм), где А 0 меньше Б б. Хотя амплитуда колебаний при большой толщине приравнена к Мп, но размах проволоки в сторону обработки ограничен Бб, что влияет на амплитуду А1п и снижает ее расчетное значение.

д - показатель возбуждаемых колебаний.

где

1 = ±

н0

УГ- р

2т '

отношение

толщины

обрабатываемого участка к толщине детали при

устойчивом процессе обработки (обычно при

расчетах за Н0 принимают 80-100 мм при йп=0,25

мм и Н0= 120-150 мм при йп=0,3 мм). -С с

р = — , где--отношение жесткости системы

Со С0

подачи ЭП при толщине обрабатываемой детали к жесткости системы при устойчивом процессе при толщинах детали, приведенных для I;

т - масса участка проволоки между опорами; т- время периода колебаний Т. Степень ослабления автоколебательного (как правило, резонансного) процесса характеризуется логарифмическим декрементом Б затухания колебаний.

Тогда закон изменения положения проволоки при автоколебательном процессе Д1!п может быть представлен зависимостью [3;4]

Д1'п=кТ- А 0 • е4^-^

где кт - коэффициент торможения проволоки при соприкосновении с разрезаемой поверхностью детали при ее колебании в пазе, что влияет на амплитуду перемещения проволоки в обратную

сторону. Величина кт зависит не только от — и —,

Но С0

но и вязкости рабочей среды в пазе, режимов обработки. кт может изменяться в широких пределах до 1.

Период Т автоколебаний зависит от жесткости системы (С) перемещения натянутой проволоки между опорами

Т = 2 п 1^=2 п

. —

Критерием возникновения

автоколебательного процесса является

Я = ?

Если ц < п, то автоколебания (в том числе резонансные) не возникают. Здесь п - коэффициент сопротивления среды.

При ц> п - автоколебания формируются, и тем интенсивнее, чем больше превышение ^ над п.

Границу начала автоколебательного процесса можно найти из (1), приняв отклонение проволоки на границе устойчивости процесса как А1п = А0. Тогда логарифмический показатель / возбуждения автоколебаний составит

= ^ Т=0

где д - коэффициент трения проволоки о рабочую среду при автоколебательном процессе в предположении, что при отскоке проволока движется без касания боковых стенок паза. Это возможно только при однокоординатном ее перемещении в пазе;

д0- коэффициент трения при стабильном процессе обработки.

С учетом (3), (4) получаем уравнение в неявном виде для вычисления критического значения толщины детали, поле чего требуется использовать предложенные в работе способ и устройство [5;6;7] для стабилизации положения проволоки в пазе

До Л

где Ум

IН _ £.

\1Но С0 >

2^ =о

проволоки; — - отношение коэффициентов трения

Мо

при автоколебательном процессе и при стабильной обработке.

Величины ^ и изменяют величины в

м

процессе подачи проволоки, но отношение —

Мо

достаточно точно может быть установлено

удельная плотность материала

экспериментально (рис. 2).

(1„-0,25 м

и-2бп /;

2

С :

Л

Рис. 2. Изменение величины — в зависимости

Мо

от толщины детали: 1 - при автоколебательном процессе обработки; 2 - при предложенном способе стабилизации процесса

Условия стабилизации процесса обработки ЭП деталей повышенной толщины

При выполнении расчетов параметров процесса [8;9] в качестве ограничения используется величина Бб, которая зависит не только от толщины разделяемой детали, но и стабилизации процесса.

Величины отскока или перемещения ЭП от поверхности касания проволокой детали до конца ее перемещения измеряются вдоль паза в обратном направлении. При этом было принято

= 5б+Ып

Мо ^бо+А'по

Здесь Бб0 - боковой зазор при толщине детали на границе устойчивого протекания процесса; Мп0 - отброс проволоки от осевого положения при устойчивом протекании процесса (без использования стабилизации положения ЭП). Величины Бб0 и Бб выбирают для каждой толщины детали по рис. 3.

На рис. 3 приведено изменение Бб для латунной проволоки йп=0,25 мм при использовании электроэрозионного (а) и комбинированного (б) процесса.

а)

мкм 60

50

О 21

50 В

О 300 400 501

Н, мм

б)

Рис. 3. Изменение бокового зазора при обработке деталей ЭП: а) электроэрозионный процесс; б) комбинированная обработка. Пунктиром показана обработка со стабилизацией процесса

Следует обратить внимание на ступенчатое изменение более чем в 1,5 раза напряжения, т.к. при обработке аустенитной стали ЭИ435 происходит изменение ширины паза, и без увеличения напряжения процесс становится нестабильным даже при регулировании его внешним воздействием. При комбинированной обработке (рис. 3, б) боковой зазор возрастает за

счет химической составляющей процесса, но и здесь напряжение пришлось увеличивать в 1,4-1,5 раза.

Стабилизация положения проволоки в пазе позволяет стабилизировать процесс обработки (рис. 4), что видно по улучшению интенсивности процесса (росту осредненной силы тока и снижению частоты колебаний ЭП в пазе).

1,Л

10

Частота колебаний ЭП V. Гц

О

200 и=100...260В

300

350

II, мм

Рис. 4. Изменение осредненной силы тока I и частоты колебаний V ЭП от толщины детали Н. Диаметр проволоки - 0,25 мм; скорость перемотки - 1,5 м/мин; натяжение - 15 Н. 1 - без стабилизации процесса; 2 - со стабилизацией положения ЭП. Пунктиром показана обработка со стабилизацией процесса

Снижение частоты колебаний V на рис. 4 уменьшает вероятность возникновения

резонансных перемещений проволоки и появления

автоколебательного процесса с нарастанием величины отклонения проволоки от начального положения (рис. 5).

Л/л, .»(/¿И

Рис. 5. Изменение величины прогиба А1п проволоки при различной толщине Н детали. Диаметр проволоки - 0,25 мм; скорость перемотки - 1,2 м/мин; натяжение - 8 Н. Пунктиром показана обработка со стабилизацией процесса

Из рис. 5 видно, что стабилизация в пазе положения проволоки значительно снижает ее отклонение А1п от начального положения (кривые 1 и 2 на рис. 5), что улучшает условия обработки деталей повышенной толщины. Результат стабилизации проявляется тем полнее, чем больше толщина участка детали, меньше диаметр и натяжение проволоки. Скорость перемотки обычно выбирают со значительным запасом, поэтому этот диаметр не влияет на изменение А1п. Но повышенная скорость вызывает перерасход проволоки, в том числе многослойной, которая имеет высокую стоимость. Это негативно влияет на себестоимость продукции, поэтому при назначении технологических режимов необходимо назначать обоснованные величины этого технологического параметра.

Заключение

Проведенные исследования процесса обработки ЭП деталей с большой толщиной позволили установить закономерности поведения инструмента в пазе при увеличенном расстоянии между опорами проволоки, когда возникают автоколебательные процессы, нарушающие стабильность разделения материалов. Это дало возможность учесть изменение толщины детали при проектировании технологических параметров обработки, повысить качество продукции [10] и расширить область использования перспективного способа на широкую номенклатуру деталей в создаваемых наукоемких изделиях специального и общего машиностроения.

Литература

1. Лазарев, Г.С. Автоколебания при резании металлов [Текст]: учебник/ Г.С. Лазарев. - М.: Высш. шк., 1971.-244 с.

2. Лазарев, Г.С. Устойчивость процесса резания металлов [Текст]: учебник/ Г.С. Лазарев. - М.: Высш. шк., 1973. -184 с.

3. Кравченко, К.Ю. Разработка и обоснование новых режимов и технологии концевого фрезерования при условии обеспечения устойчивого резания [Текст]: автореферат диссертации на соиск. уч. ст. к.т.н. Екатеринбург, 2016. -18 с.

4. Красильников, А.Я. Исследование устойчивости систем с запаздыванием, описывающих процесс фрезерования в случае с одной степенью свободы [Текст]/ А.Я. Красильников, К.Ю. Кравченко //Вестник машиностроения, 2013. № 9. -С. 67-75.

5. Патент 2466835 (РФ) В23Н. Способ эрозионно-термической обработки [Текст]/ С.Н. Коденцев, В.П. Смоленцев, Г.А. Сухочев, М.А.Уваров // Бюл. изобр., 2012, №32.

6. Патент 2555266 (РФ) В23Н. Способ изготовления проволочного электрода-инструмента для электроэрозионной обработки [Текст]/ В. П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев // Бюл. изобр., 2015, №19.

7. Смоленцев, В.П. Изготовление единичных мелкомодульных эвольвентных профилей непрофилированным электродом (раздел 7) [Текст]: Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструменты: монография: в 5 т. / В.П. Смоленцев, А.В. Кузовкин, В.В. Золотарёв ; под ред. А.В. Киричека. М: Изд. дом "Спектр", 2014. -Т.4. - С. 325 -368.

8. Смоленцев, Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки [Текст]: учеб. пособие/Е.В. Смоленцев.- М.: Машиностроение, 2005. -511 с.

9. Кириллов, О.Н. Технология комбинированной обработки непрофилированным электродом [Текст]: учеб. пособие/ О.Н. Кириллов. Воронеж: ВГТУ, 2010. 254 с.

10. Мельников, В.П. Управление качеством / В.П. Мельников, В.П. Смоленцев, А.Г. Схиртладзе // М.: Академия, 2009. - 352 с.

Воронежский государственный технический университет

PARAMETERS OF TREATMENT PROCESS BY WIRE ELECTRODE TAKING INTO ACCOUNT SELF-VIBRATION OF TOOL

V.V. Zolotarev, postgraduate, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: Z.V.V.220975@mail.ru

V.P. Smolentsev, Doctor of Technical Science, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: vsmolen@inbox.ru.

Researches for increase thickness of details cut by wire electrode on electro erosion equipment and machines for combined treatment are given in the article. Regularities of formation mechanism of wire in slot low-frequency self-vibration are identified for this. Conditions, at which movements of tool can be limited and completely excluded, are showed. Complex problem for creating new (at the level of invention) method of movement process stabilization of wire electrode in long length slot is solved. Development of equipment and technology, based on new methods and devices, protected by protection documents, is important now. It was necessary to create calculation procedure of process parameters taking into account self-vibration of tool for realization of created method. Limits through thickness of machined area of detail, where process stabilization can be achieved by tension of wire electrode and increase speed of wire-winding, are scientifically based and determined. However, this decision allows cover just a part of component spectrum, where treatment process by wire electrode has advantages. Given materials allows form the base for increase field of use of new technological processes in machine building and provide competitive ability of technical equipment in this field for electrical method of treatment

Given materials used for creation of perspective items in aerospace field, where electrical methods of treatment are more currently important and open possibility to design of perspective scientific products manufacturing of which are not possible by traditional methods and economically not effective. Also given results develop manufacturing technology of unique basic components and parts in different fields of machine building

Key words: wire electrode, self-vibration, product thickness, stabilization, process parameters

References

1. Lazarev, G.S. Avtokolebanija pri rezanii metallov [Self-vibration during cut of metals]: uchebnik. - M.: Vyssh. shk., 1971.-244 s.

2. Lazarev, G.S. Ustojchivost' processa rezanija metallov [Process stability of cut of metals]: uchebnik. - M.: Vyssh. shk., 1973. -184 s.

3. Kravchenko, K.Ju. Razrabotka i obosnovanie novyh rezhimov i tehnologii koncevogo frezerovanija pri uslovii obespechenija ustojchivogo rezanija [Development and explanation of new modes and technology of end milling under condition of cut stability providing]: avtoreferat dissertacii na soisk. uch. st. k.t.n. Ekaterinburg, 2016. -18 s.

4. Krasil'nikov A.Ja., Kravchenko K.Ju. Issledovanie ustojchivosti sistem s zapazdyvaniem, opisyvajushhih process frezerovanija v sluchae s odnoj stepen'ju svobody [Investigation of stability system with delay, described milling process in case with one degree of freedom]/ A.Ja. Krasil'nikov, //Vestnik mashinostroenija, 2013. № 9. -S. 6775.

5. Patent 2466835 (RF) V23N. Sposob jerozionno-termicheskoj obrabotki [Method of erosion-heat treatment]/ S.N. Kodencev, V.P. Smolencev, G.A. Suhochev, M.A.Uvarov // Bjul. izobr., 2012, №32.

6. Patent 2555266 (RF) V23N. Sposob izgotovlenija provolochnogo jelektroda-instrumenta dlja jelektrojerozionnoj obrabotki [Method of manufacturing of wire electrode tool for electro erosion treatment]/ V. P. Smolencev, A.I. Boldyrev, E.V. Smolencev // Bjul. izobr., 2015, №19.

7. Smolencev V.P., Kuzovkin A.V., Zolotarjov V.V. Izgotovlenie edinichnyh melkomodul'nyh jevol'ventnyh profilej neprofilirovannym jelektrodom (razdel 7) [Manufacturing of singular fine grained involute profiles by non-core electrode (section 7)]. Progressivnye mashinostroitel'nye tehnologii, oborudovanie i instrument: monografja; Pod red. A.V. Kiricheka. V 5 t. T.4. M: Izd. dom" Spektr", 2014. - S. 325 - 368.

8. Smolencev, E. V. Proektirovanie jelektricheskih i kombinirovannyh metodov obrabotki [Designing of electrical and combined methods of treatment]: ucheb. posobie.- M.: Mashinostroenie, 2005. - 511 s.

9. Kirillov, O.N. Tehnologija kombinirovannoj obrabotki neprofilirovannym jelektrodom [Technology of combined treatment by non-core electrode]: ucheb. posobie. Voronezh: VGTU, 2010. 254 s.

10. Mel'nikov V.P. Smolencev V.P., Shirtladze A.G. Upravlenie kachestvom [Quality management]. M.: Akademija, 2009. - 352 s.