Повышение эффективности электроэрозионной обработки изделий из сталей с высокотемпературной износостойкостью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Шлыков Евгений Сергеевич

• Шлыков Евгений Сергеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Шлыков Евгений Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА КОПИРОВАЛЬНО-ПРОШИВНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ С ПОВЫШЕННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

1.1. Особенности применения сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости в машиностроении

1.2. Сущность процесса копировально-прошивной электроэрозионной обработки

1.3. Механизм формирования шероховатости обработанной поверхности деталей после копировально-прошивной электроэрозионной обработки

1.4. Особенности формирования шероховатости при копировально-прошивной электроэрозионной обработке сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости

1.5. Особенности прогнозирования точности и производительности при копировально-прошивной электроэрозионной обработке сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости

1.6. Анализ теоретических моделей расчета шероховатости поверхности при копировально-прошивной электроэрозионной обработке

1.7. Выводы по главе

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕДИНИЧНОГО ИМПУЛЬСА. ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ЛУНКИ НА ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ 38Х2Н2МА

2.1. Описание условий разработки математической модели

2.2. Моделирование тепловых процессов в межэлектродном промежутке

2.2.1 Создание геометрии модели единичного разряда

2.2.2. Задание начальных условий и теплофизических свойств

2.2.3. Определение граничных условий

2.2.4. Задание функций

2.2.5 Методика построения сетки конечных элементов

2.2.6. Результаты моделирования

2.3. Анализ формируемой поверхности при воздействии единичных импульсов

2.4. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОПИРОВАЛЬНО-ПРОШИВНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ 38Х2Н2МА

3.1 Применяемое оборудование. Материалы исследуемых образцов

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований

3.3 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ПОЛУЧЕНИЕ ЭМПИРИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И КАЧЕСТВА ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ 38Х2Н2МА ПОСЛЕ КОПИРОВАЛЬНО-ПРОШИВНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

4.1. Факторное планирование параметра шероховатости обработанной поверхности стали 38Х2Н2МА после копировально-прошивной электроэрозионной обработки

4.2 Результаты экспериментального исследования влияния режимов обработки на шероховатость рабочей поверхности СТАЛИ 38Х2Н2МА

4.3. Сопоставление результатов экспериментального и математического моделирования процесса копировально-прошивной электроэрозионной обработки

4.4. Факторное планирование производительности копировально-прошивной электроэрозионной обработки стали 38Х2Н2МА

4.5. Факторное планирование межэлектродного зазора при копировально-прошивной электроэрозионной обработке стали 38Х2Н2МА

4.6. Выводы по главе

ГЛАВА 5. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ КОПИРОВАЛЬНО-ПРОШИВНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ДЕТАЛИ «КОРПУС ЗАТВОРА»

5.1. Влияние режимов КПЭЭО на эксплуатационные свойства рабочей поверхности детали «Корпус затвора»

5.2. Проектирование размеров электрод-инструмента

5.3. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ТЕРМИНОЛОГИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А (обязательное) Акты внедрения

Приложение Б (рекомендуемое) Чертеж детали «Корпус затвора»

Приложение В (рекомендуемое) Маршрут технологического процесса изготовления паза детали «Корпус затвора»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности электроэрозионной обработки изделий из сталей с высокотемпературной износостойкостью»

ВВЕДЕНИЕ

В машиностроительном производстве повышаются требования к производительности обработки и характеристикам качества поверхности изделий специального машиностроения. Такие детали выдерживают высокие температурные и ударные нагрузки, и изготавливаются из легированных сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости. Износостойкие стали обладают повышенными физико-механическими свойствами и склонны к упрочняемости при резании, в связи с чем обрабатываемость изделий, выполненных из сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости, лезвийным инструментом затруднена, поэтому для их обработки целесообразно применение копировально-прошивной электроэрозионной обработки (КПЭЭО). КПЭЭО позволяет обрабатывать сложнопрофильные труднодоступные глубокие элементы изделий, выполненных из сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости.

Наличие хрома, молибдена, никеля в составе сталей увеличивает электроэрозионную стойкость и показатели высокотемпературной износостойкости, что приводит к интенсивному износу электрода-инструмента (ЭИ) при обработке изделий, выполненных из износостойких легированных сталей, и соответственно к снижению производительности КПЭЭО, точности и качества обработанной поверхности. Одним из основных факторов, влияющих на эксплуатационные свойства изделий, изготовленных из сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости, является микрогеометрия рабочих поверхностей. При КПЭЭО на формирование показателей шероховатости изделий, выполненных из сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости, влияют режимные параметры обработки и физико-

механические свойства обрабатываемого материала: теплопроводность, электропроводность, твёрдость, прочность.

Благодаря работам таких ученых как Лазаренко Б.Р., Фотеев Н.К., Золотых Б.Н., Плошкин В.В., Волгин В.М., Wemgartner E.F., Van Dijck, созданы научные основы процесса КПЭЭО, в том числе изделий, выполненных из сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости. Однако не в полной мере решены вопросы прогнозирования показателей качества при разработке технологии КПЭЭО опытных изделий, выполненных из сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости.

В связи с этим, на предприятиях при разработке технологического процесса изготовления новых изделий с целью определения режимов КПЭЭО применяется методика пробных резов. Использование данного подхода значительно увеличивает время освоения новых изделий, а соответственно, и себестоимость готовой продукции.

Актуальной научно-технической задачей является разработка математических и эмпирических моделей формирования показателей шероховатости обработанной поверхности изделий, выполненных из сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости, после КПЭЭО, позволяющая прогнозировать эксплуатационные показатели качества и производительности без применения методики пробных резов.

Цель работы. Повышение эффективности и точности технологии копировально-прошивной электроэрозионной обработки изделий, выполненных из сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости.

Для достижения заданной цели в работе решались следующие задачи.

1. Исследовать влияние КПЭЭО на шероховатость поверхностного слоя изделий, выполненных из легированных сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости.

2. Разработать теоретическую модель расчета величины шероховатости после КПЭЭО изделий, выполненных из легированных сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости в зависимости от параметров обработки (сила тока, время включения импульса, напряжение).

3. Получить эмпирические уравнения описывающие взаимосвязь шероховатости обработанной поверхности изделий, выполненных из легированной стали 38Х2Н2МА, производительности, и величины межэлектродного зазора в зависимости от параметров обработки.

4. Спрогнозировать шероховатость поверхности и механизм образования электроэрозионных лунок при КПЭЭО изделий, выполненных из износостойких легированных сталей путём сопоставления результатов теоретического и экспериментального моделирования.

5. Разработать технологические рекомендации для КПЭЭО сложнопрофильных элементов детали типа «Корпус затвора», выполненной из износостойкой легированной стали 38Х2Н2МА, которые позволяют обеспечивать соотношения качества обработанной поверхности при наибольших показателях производительности.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе статистического анализа, электрофизических методов обработки и математического моделирования.

Экспериментальные исследования проводились на таком оборудовании как: копировально-прошивной электроэрозионный станок

Electrónica Smart CNC, электронный микроскоп Olympus GX 51, КИМ Cari Zeiss Contura G2, Профилометр Mahr Perthometer S2.

Научная новизна работы

1. Получена модель, позволяющая прогнозировать шероховатость обработанной поверхности в зависимости от параметров электроэрозионной обработки КПЭЭО изделий, выполненных из легированных сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости.

2. Установлена эмпирическая зависимость позволяющая оценить влияние режимов КПЭЭО на формирование микронеровностей на рабочей поверхности изделий, выполненных из легированных сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости.

3. Установлена эмпирическая зависимость позволяющая оценить влияние режимов КПЭЭО на производительность процесса обработки изделий выполненных из легированных сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости.

4. Установлена эмпирическая зависимость позволяющая прогнозировать размер ЭИ в зависимости от режимов КПЭЭО изделий, выполненных из легированных сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости.

Практическая значимость

1. Полученные результаты позволили на 20% повысить эффективность технологии КПЭЭО сложнопрофильных элементов детали «Корпус затвора», изготовленной из легированной стали 38Х2Н2МА.

2. На основе проведенных исследований подобраны режимы резания для обеспечения показателей качества и точности КПЭЭО изделий, выполненных из легированной стали 38Х2Н2МА.

3. Разработанные рекомендации и модели внедрены на ПАО «Мотовилихинские заводы» при разработке технологии обработки сложнопрофильных элементов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 11 научно-технических конференциях, включая международные (75-я Международная научно-техническая конференция "актуальные проблемы современной науки, техники и образования -2017, 54-я международная научная студенческая конференция МНСК-2016, Международная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Электрофизические методы обработки в современной промышленности» и других ежегодных конференциях ПНИПУ( Пермь 2014-2017).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано в печать 19 работ, в том числе 9 статей в изданиях из списка ВАК, 3 статьи в изданиях из списка Scopus,2 статья в изданиях из списка WOS.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА КОПИРОВАЛЬНО-ПРОШИВНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ С ПОВЫШЕННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

1.1. Особенности применения сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости в машиностроении

Проблема повышения прочности корпусных деталей,

применяемых как в специальном машиностроении, так и в нефтяной и газовой промышленности является актуальным вопросом в современном машиностроении. Такие детали выходят из строя, в основном, из-за разгара поверхностных слоев и пластического течения материала инструмента. В процессе работы таких деталей температура характеризуется циклически чередующимися нагревом и охлаждением, в результате чего развиваются процессы термической усталости, которые сопровождаются появлением и развитием разгарных трещин [1-3]. Исследования показывают [4], что наибольшее повышение долговечности деталей запорных корпусов достигается при правильном выборе марки стали и режимов её термической, упрочняющей и т.п. обработок. Сталь, применяемая для изготовления корпусных деталей нефтяной и газовой промышленности, должна обладать комплексом высоких механических свойств при рабочих температурах, а также повышенным сопротивлением высокотемпературной износостойкости [5]. К таким материалам относят хромсодержащие легированные стали, имеющие ряд отличительных особенностей. Механические и эксплуатационные свойства сталей разных типов зависят в первую очередь от их состава. Правильный выбор стали для эксплуатации в конкретных условиях гарантирует длительную службу и надёжность готового изделия [6].

Легированные стали с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости обладают хорошими

жароупорными свойствами. Наилучшую сопротивляемость коррозии эти стали проявляют в термически обработанном состоянии и в полированном виде. Хром вводится в конструкционную сталь для повышения прочности. При закалке хромистая сталь дает равномерную твердость на поверхности и глубокую прокаливаемость [7-8].

В улучшенном (закаленном и отпущенном) состоянии такая сталь имеет высокую твердость и прочность при достаточно хорошей вязкости.

При введении хрома в никелевую машиностроительную сталь получают высококачественную хромоникелевую сталь, которая обладает большим запасом прочности и вязкости и поэтому относится к лучшим сортам машиностроительной стали [7,9,10].

Молибден очень эффективен в сталях, работающих при высоких температурах, повышая их длительную прочность [7].

Никель широко используется для получения высококачественной конструкционной стали с особыми физико-химическими свойствами. Он сильно увеличивает прокаливаемость стали.

Растворяясь в железе, никель повышает твердость и прочность феррита, повышает пластичность и особенно ударную вязкость стали [9].

Исходя из указанных свойств материалов сталей в настоящее время хромоникельмолибденовые износостойкие стали находят широкое применение в нефтяной, газовой, а также оборонной промышленности.

Хромсодержащие износостойкие стали обладают плохой обрабатываемостью, ввиду наличия таких легирующих элементов, как, никель, хром, марганец. А также в малых процентах ниобий, титан, молибден, вольфрам, ниобий при определённом снижении содержания хрома и никеля. Низкая обрабатываемость таких сталей напрямую связана с их физико-механическими и теплофизическими свойствами. Износостойкие и жаропрочные стали аустенитного класса имеют повышенную упрочняемость во время резания. Определённые стали во время пластического деформирования испытывают структурные

превращения, в виде перехода аустенита в мартенсит. Такие материалы имеют низкую теплопроводность, что замедляет отвод тепла из зоны резания в стружку и заготовку. Чему сопутствует повышение температуры резания и скорости износа инструмента. Наличие в сталях и сплавов карбидов и биметаллов высокой твердости вызывает усиленный абразивный износ инструментов и, в частности, инструментов изготовленных из быстрорежущих сталей. Поэтому для обработки сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости целесообразно применять методы электрофизической обработки, в том числе КПЭЭО [11-12].

1.2. Сущность процесса копировально-прошивной электроэрозионной обработки

Метод КПЭЭО сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости состоит в том, что под действием импульсов электрического тока металл расплавляется и испаряется, под действием рабочей жидкости частицы металла удаляются из зоны разрядов [13]. Процесс КПЭЭО сопровождается удалением металла из зоны обработки, последовательными искровыми пробоями, а также выделением большого количества тепла [13-17]. В работе [15] говорится, что впервые идея использования явления электрической эрозии для размерной обработки была предложена советскими учеными Лазаренко Б.Р. и Лазаренко Н.И.. Дальнейшему развитию данной технологии послужили исследования таких ученых как Ставицкий Б.И., Золотых Б.Н., Фотеев Н.К. и др. [14-16, 18].

Согласно [12-14] пробой межэлектродного зазора (МЭЗ) представляет собой плазменный канал, который расширяется в течение действия импульса (рисунок 1.1).

Согласно [14] межэлектродный промежуток (МЭП) - это пространство между взаимодействующими поверхностями ЭИ и

электрода-детали (ЭД) при обработке. Межэлектродный зазор (МЭЗ) -расстояние в определённом месте МЭП между поверхностями ЭИ и ЭД, перпендикулярно направлению подачи [13].

В результате пробоя диэлектрика происходит ионизация МЭП. Образуется плазменный канал, содержащий ионы и электроны, температура которого достигает выше 5000°С. Вдоль плазменного канала от анода к катоду движутся электроны, ионы же движутся наоборот - от катода к аноду. Электроны с массой, меньшей, чем у ионов, быстрее достигают поверхности катода. В результате, под действием высоких температур в плазменном канале происходит расплавление и частичное испарение металла. Также происходит мгновенное испарение РЖ, которое сопровождается появлением газового пузыря, давление которого достигает 2-10 Па. По мере расширения газового пузыря давление внутри него резко падает. Расплавленный металл выбрасывается в окружающую межэлектродный промежуток диэлектрическую жидкость и затвердевает в виде мельчайших частиц (шлама) [12,14-22].

^ — ^ Лунка

у ч

/ , \

Анод 'V" / \

Рисунок 1.1 - Плазменный канал

Электрическая эрозия - это полное или частично разрушение слоёв поверхности материала в результате воздействия электрических разрядов. [21,23-29]. На явлении электрической эрозии основан принцип электроэрозионной обработки (ЭЭО)

При скоплении большой концентрации энергии возникают высокие температуры в зоне действия разряда. Для этого применяется генератор импульсов. Процесс ЭЭО протекает в рабочей в рабочей жидкости (РЖ) , которая заполняет пространство между ЭИ и ЭД.

Количество энергии, выделившейся в промежутке в течение одного импульса, может быть представлено в следующем виде:

Си

wn = j Un(t) ■ In(t)dt, (1.1)

0

где, tH - длительность импульса; Un(t) - напряжение; In(t) - сила тока.

При воздействии импульса тока на поверхность ЭИ и ЭД появляются кратеры (лунки) и обрабатываемая поверхность приобретает специфическую поверхность в виде микронеровностей. Таким образом, проходит электрическая эрозия материала, которая показана на примере единичного разряда импульса тока, и соответственно образование эрозионной лунки (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Лунка, образованная при воздействии единичного разряда на обрабатываемую поверхность: 1 - выплавленный металл; 2 - валик вокруг лунки; 3 - белый слой; 4 - обрабатываемая деталь Основными характеристиками лунок являются: радиус гл , м, глубина кл , м, их соотношение К = тл/Кл , а также коэффициент перекрытия лунок в (отношение гл к расстоянию между соседними лунками L, м) [18-20].

- \li I "V IV v TL vi

tu í-5 (3... 5) tu . 10) t„ -s- t

Тгп=(!

Рисунок 1.3 - График изменения температуры Т поверхности лунки в

процессе ЭЭО

На рисунке 1.3 изображена кривая изменения температуры поверхности лунки при воздействии единичного импульса tH, где показаны тепловые режимы нагрева и охлаждения (I-VI) [18].

Режим I показывает образование плоского источника тепла, который дествует в течений: < tH. За это время осуществляется существенный нагрев верхних слоев электродов.

Режим II включает в себя время tH < t = (3...5)-tH - это время с окончания электроэрозионного импульса до дополнительного выброса металла из лунки.

Режим III происходит после выброса металла из лунки и заканчивается при t = Тт = (5...10)-tH - одновременно с исчезновением газовой полости.

Режим IV - при нём протекает ускоренный процесс охлаждения поверхности лунки, который начинается с t > Тт. Газовая полость сужается, соответственно ее граница смещается к центру лунки.

Режим V - стадия охлаждения с наибольшей скоростью, зависящей от свойств рабочей жидкости.

Тепловой режим VI - стадия охлаждения, характеризующаяся конвективным теплообменом поверхности лунки с рабочей жидкостью.

Так как обработанная поверхность стали с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости после КПЭЭО имеет неровности, то возникает сложность прогнозирования результатов обработки поверхности, т..е формирования шероховатости.

1.3. Механизм формирования шероховатости обработанной поверхности деталей после копировально-прошивной электроэрозионной обработки

Основным показателем качества обработанной поверхности сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости после КПЭЭО является шероховатость обработанной поверхности - это микрогеометрия рабочих поверхностей.

Шероховатость зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала и величины энергии импульса. При увеличении электроэрозионной обрабатываемости материала происходит увеличение высоты микронеровностей поверхности обработки [30-31].

Режимы электроэрозионной обработки позволяют получить заданные размеры формы шероховатость поверхности при оптимальных затратах процесса [32-33].

После процесса электроэрозионной обработки рабочая поверхность детали имеет шероховатость, полученную путем взаимно пересекающихся и произвольно расположенных кратеров (лунок). Параметры шероховатости зависят от размеров и геометрии двух типов неровностей: 1 - неровности, которые получены как результат взаимного пересечения лунок; 2 - неровности, образовавшиеся из-за искажения профиля лунки. Размеры лунок, полученных в результате взаимного пересечения: гл, Д. Группа неровностей, образовавшихся в результате искажения профиля лунки, определяется случайными факторами,

определение которых практически невозможно. Таким образом, реальный профиль шероховатости состоит из двух составляющих: случайная и систематическая (случайная составляет в среднем 10-15 % от систематической) [33-36].

Поверхность обработки формируется из лунок, которые накладываются друг на друга и произвольно расположены. Энергия импульса и материал ЭИ напрямую влияют на размер и форму лунок. Рост размеров лунок происходит при увеличении энергии импульса и понижении частоты их расположения (рисунок 1.4).

4

Рисунок 1.4 - Поверхность после КПЭЭО: d1 - диаметр лунки, мкм; h1 - глубина лунки, мкм; djj - диаметр лунки после множества импульсов, мкм; ^ - глубина лунки после множества импульсов, мкм; l - межцентровое расстояние лунок, мкм; Н - толщина поверхностного

слоя, мкм.

На рисунок 1.4 показано, что глубина лунок ^ определяется степенью перекрытия лунок. Высота неровностей профиля считается по формуле:

Rz=( hn + hû + hi3 + hrf + h* ) / 5, (1.2)

где h^ - глубина одной из пяти лунок на базовой длине, мкм.

Исходя из того, что лунка имеет сферическую форму, а глубина двух соседних впадин одинаковая, находим размеры неровностей Ь.л на их границе. Находим глубину выступа Ь.л из треугольника abc, принимая

О О

bc=R- ас=1/2 и (Ьс) =(аЬ) -ас) . После преобразований вычисляем для определённого ьго выступа:

= (13)

Поскольку hл<R, то = — — /¿2. Радиус R вычисляем из треугольника bde, где bd=R-h1, de=r. Отсюда:

Я, = (Нц,2|п2) (1.4)

2 • Ни

Установлено, что с увеличением частоты импульсов величина неровностей Кг и межцентровое луночное расстояние существенно уменьшаются. При частоте больше предельного значения поверхность зоны обработки состоять из лунок, расположенных равномерно. С определённым приближением принимаем, что 1=К. Тогда:

1-Л)- №2 + П2) (1.5)

Нл' 2 • Ни

Если учесть, что размеры всех лунок одинаковы, то можно считать . Так как размер лунки определяется энергией импульса, то высоту неровностей выражаем через долю энергии импульса:

^ = км • Wup, (1.6)

где км - коэффициент, который определяется режимами обработки, материалами и размерами ЭИ, состоянием рабочей среды; р - 0,3...0,04 -показатель степени формы лунки. При расчете принимают р=1/3.На чистовом режиме кн = 10...50.

Таким образом, энергия импульса принимается основным параметром при формировании шероховатости обрабатываемой поверхности сталей с повышенными показателями высокотемпературной

износостойкости. Величина энергии импульса зависит от характеристик электрического источника питания.

Кроме энергии импульса процесс формирования обработанной поверхности зависит от материала ЭИ, заготовки, вида рабочей жидкости и т.д. Эти параметры не являются взаимосвязанными, соответственно, каждый из них оказывает определённое независимое влияние на сущность процесса. Поэтому изучение зависимостей изменения шероховатости в зависимости от режимов обработки и материала обрабатываемой стали являются актуальными научно-практическими задачами [32, 35-38].

1.4. Особенности формирования шероховатости при копировально-прошивной электроэрозионной обработке сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости

Немаловажным фактором при формировании шероховатости обработанной поверхности материала является шероховатость ЭИ. В качестве материалов для профильных электродов используется медь, композиты, алюминий, графит, латунь. При КПЭЭО хромсодержащих, легированных сталей и жаропрочных сплавов целесообразно использовать электроды из меди и графита. Для черновой обработки таких сталей применяются ЭИ из чугуна и алюминия, а при обработке отверстий - латунные ЭИ. В работе [38] проведено исследование влияния шероховатости рабочей части ЭИ на шероховатость и производительность КПЭЭО поверхности износостойкой легированной стали 38Х2Н2МА.

Режимы обработки представлены в таблице 1.1, где Ton - время включения импульсов, мкс; Tau - рабочий цикл импульса, ; U -напряжение, В; I - сила тока, А; H - глубина прожига, мм; S - площадь обработки, мм2.

Таблица 1.1 - Режимы обработки

Режимы I, (A) Ton (мкс) U, (В) Tau, (%) Н, (мм) S, (мм2)

Значения 0,5 1 75 26 0,3 314

Режимы обработки выбраны по технологическим таблицам станка Smart CNC Согласно технологическим таблицам режимы являются чистовыми.

Эксперименты проведены медными электродами-инструментами с различными значениями шероховатости рабочей поверхности (таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Шероховатость обработанной поверхности стали

38Х2Н2МА

№ ЭИ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ЭИ

Ra, 14,2 9,9 4,8 1,3 1,1 1 0,7 0,6 0,6 0,5

мкм

Сталь, Ra мкм 11,1 5,1 1,6 1,5 1,3 1,4 1,1 1,2 1,1 1,3

При обработке ЭИ с грубой шероховатостью (ЭИ №1) на обработанной поверхности остаются следы микронеровностей с рабочей поверхности ЭИ, при этом величина микронеровностей на обработанной детали на 25% меньше шероховатости ЭИ №1.

Уменьшение высоты микронеровностей на обработанной поверхности детали (для ЭИ №1-3) происходит из-за изменения шероховатости рабочей поверхности ЭИ в процессе ЭЭО.

При обработке экспериментального образца ЭИ №3 - №10 шероховатость обработанной поверхности находится в предпочтительном

диапазоне согласно ГОСТ 2789-73 от 1,6 до 1,1. Разброс значения высоты микронеровностей на обработанной поверхности не превышает 30%.

Показано, что при ЭЭО электродом с минимальной высотой микронеровностей на рабочей поверхности (ЭИ №10) и электродом с грубой шероховатостью рабочей поверхности (ЭИ №3) расхождение в значениях формируемой высоты микронеровностей на обработанной поверхности не превышает 30% (при разнице шероховатости рабочих поверхностей электродов-инструментов почти 200%).

Помимо энергии импульса и рельефа поверхности электрода на шероховатость детали влияют свойства обрабатываемого материала, в том числе электроэрозионная обрабатываемость. Электроэрозионная обрабатываемость материалов зависит от их физико-механических свойств. В работе [13,38-42] показано, что приняв электроэрозионную обрабатываемость стали за единицу, электроэрозионная обрабатываемость других металлов (при тех же условиях) может быть представлена в следующих относительных единицах: вольфрам - 0,3; твердый сплав - 0,5; титан - 0,6; медь - 1,1; В связи с этим процесс электроэрозионной обработки металлов, обладающими разной электроэрозионной обрабатываемостью, будет протекать по-разному [ 29-30].

В работах [43-46] исследовалась обработка наплавленной меди медным электродом на трех режимах (таблица 1.3).

Таблица 1.3 - Режимы обработки меди

№ Топ, 1р, А и, В Заданная глубина

Режима мкс обработки, мм

1 1 0,5 50 5

2 100 3 50 5

3 750 20 50 5

Анализ обработанной поверхности наплавленной медной заготовки после ЭЭО медным электродом на минимальном режиме 1 свидетельствует о том, что основной составляющей поверхности являются большие полиэдрические лунки размерами от 30 до 80 мкм и более (рисунок 1.5, а). Стоит отметить, что на первых этапах появления данных объектов в первую очередь формируется грань лунки-полиэдра, размеры данных элементов не превышают 2-5 мкм, а их глубина составляет порядка 1-3 мкм. Дальнейшее воздействие приводит к образованию промежуточных форм полиэдрических лунок, в которых геометрические размеры увеличиваются равномерно во всех направлениях, размеры данных элементов не превышают 10-15 мкм (рисунок 1.5, г). Их глубина сравнительно не велика и не превышает 5-15 мкм (рисунок 1.6, а). В финальных стадиях эволюции полиэдрических лунок происходит смена приоритетной морфологии с кубической на сферическую. Однако большинство из них имеют артефакты от первичного строения в виде граней на донных и боковых поверхностях. Диаметральные размеры данных элементов составляют от 30 до 80 мкм и более. Также финальные стадии эволюции полиэдрических лунок зачастую приводят к их объединению в единые макроскопические массивы. Глубина полиэдрических лунок в финальной стадии эволюции -значительна и может превышать значения в 30-40 мкм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шлыков Евгений Сергеевич, 2018 год

/ / / /

/ / / / — i \

xj •

0.3 0.2 0.1

-0.002 -0.0015 -0.001 -0.0005 0 0.0005 0.001

Радиус плазмы, м

0.0015

0.002

Рисунок 2.4 - Распределение величины теплового потока q в зависимости от радиуса плазмы при времени импульсного воздействия

0,0002 с

Для учета времени импульсного воздействия Ton в канале разряда, согласно разработанной методике моделирования , вводится функция импульсного воздействия ("Step"), моделирующая сложный переменный характер процесса КПЭЭО, и задающая время прохождения импульса Ton=200 мкс.

С помощью коэффициента общего теплового потока('^епега1 inward heat flux") задаём плоский источник нагрева во вкладке Flux (cathode):

q0 = heatflux(r) • Ton(t), (214)

где heatflux(r) - функция гаусового распредления количества теплового потока при времени t по координате r, Вт/м ; Ton(t) - функция шага времени импульсного воздействия, мкс.

Рисунок 2.5 - Функция действия импульса Ton В виду того, что образец омывается рабочей жидкостью (трансформаторным маслом), будем использовать режим моделирования "Convective Heat Flux", учитывающий конвективный тепловой поток:

h (Text-T), (2.15)

где h - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); Text - температура окружающей среды,С*; Т - температура тела, с*.

2.2.5 Методика построения сетки конечных элементов

После задания начальных и граничных условий, свойств и функций необходимо построить сетку конечных элементов. Данное действие осуществляется с помощью пункта "Mesh" ("Сетка"), где допускается выбор размера ячеек (рисунок 2.6). Выбранный диапазон ячеек следующий - максимальный размер ячейки составляет 7,41 м; минимальный - 2,5-6 м.

Рисунок 2.6 - Построение сетки конечных элементов После окончания расчета выводятся результаты в виде графиков, а также картинок изменения температурных полей в зависимости от времени действия импульса.

2.2.6. Результаты моделирования

В результате расчета получены графики зависимости температуры в зоне действия единичного импульса в центре разряда и на границе радиуса действия плазмы на катоде (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 - График изменения температуры детали при воздействии

единичного импульса

Анализируя график можно приходим к выводу о том, что при воздействии единичного разряда металл плавится, часть его испаряется оставляя кратеры, в то время как температура на обрабатываемой детали достигает наибольшего значения при t = 200 мкс. Процесс изменения границ плавления и испарения металла может определённое время продолжаться после завершения действия теплового потока за счёт энергии жидкой фазы, которая имеет температуры выше температуры плавления, а температура верхних слоёв превышает температуру кипения.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 хКНи

Радиус, м

Рисунок 2.8 - Температурные поля ЭД после воздействия импульсного разряда при времени t = 100 мкс

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 хЮ^м

Радиус, м

Рисунок 2.9 - Температурные поля ЭД после воздействия импульсного разряда при времени t = 200 мкс

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 хЮ^м

Радиус, м

Рисунок 2.10 - Температурные поля ЭД после воздействия импульсного разряда при времени t = 300 мкс

Как видно из вышеприведенных рисунков (рисунок 2.8, 2.9, 2.10), на которых представлены изменения температурных полей при воздействии единичного импульса, геометрия кратера, генерируемая в детали с использованием зависимого от времени действия источника тепла, имеет форму чаши-кратера, то есть ширина чаши больше чем глубина. Глубина и ширина чаши во временном промежутке t=100...200 мкс увеличиваются. При времени t = 200 мкс температурное воздействие в кратере достигает максимума, затем понижается.

Рйдиуе, м

Рисунок 2.11 - Лунка, отображенная симметрично, полученная при единичном импульсе при t = 200 мкс

Как показано на рисунке 2.11 под воздействием электрических импульсов высокой концентрации энергии в зоне разряда металл на поверхности электрода плавится и испаряется, образуя лунки, приближенные к сферической форме.

2.3. Анализ формируемой поверхности при воздействии единичных

импульсов

Электроэрозионная поверхность приобретает шероховатость, определяемую в результате взаимного пересечения лунок и искаженных поверхностей профиля единичной лунки. Такие неровности определяются размерами лунок гл и Ьл, и коэффициентом перекрытия лунок. Вершина выступа поверхности лунки частично испаряется и плавится под воздействие теплоты, выделившейся в результате разряда. Расплавленный метал вершины выступа стекает по боковым поверхностям и застывает, так как не получает большого силового воздействия. Из-за этого вершины выступов притупляются, увеличивается их толщина, и соответсвенно,

уменьшается ширина впадины. Таким образом форма вершины выступа профиля совпадает с формой, расположенной симметрично относительно оси перпендикуляр лунки. Поэтому реальный профиль шероховатости можно представить из лунок, совпадающих по форме и размерам, соответственно получаем предполагаемый профиль обработанной поверхности электрода-детали в результате наложения профилей лунок, образовавшихся в результате воздействия единичного разряда, с коэффициентом перекрытия 30% (рисунок 2.12).

£> мкм

I_I_I_I_I_1

О ААКМ _______

и__I__ц

Рисунок 2.12 Расчетная схема параметров лунок на плоскости, где т -средняя линия профиля; ^ - глубина обработки, мкм; z - расстояние между центрами лунок, мкм; 1 -базовая длина, мкм; глк - радиус лунки,

мкм; - глубина лунки, мкм.

Основываясь на графической модели профиля обработанной поверхности ЭД произведен расчет предполагаемых технологических показателей КПЭЭО стали с высокими показателями высокотемпературной износостойкости в результате единичного разряда. В результате расчета тепловых полей рассчитаны такие геометрические показатели лунок, как: радиус лунки глк = 75 мкм; глубина лунки Ь.ж = 8

мкм;. Основываясь на расчётных данных полученных с помощью теоретического моделирования comsol и математических зависимостей описанных Фотеевым Н.К. и Золотых Б.Н. производится расчет величины шероховатости, исходя из параметров лунки и определяется по формуле:

д . I2 • гЛк • hnK (2.16)

На ^Зй+Щ

где Р - коэффициент перекрытия, кэ - коэффициент потери энергии импульса; глк - радиус лунки, мкм; ^ж - глубина лунки, мкм - получены из теоретической модели.

Согласно полученной теоретической модели можно варьируя параметрами обработки, и выбирая обрабатываемый материал стали с помощью приложения Comsol рассчитать величину тепловых полей, размеров электроэрозионных лунок и производить расчет шероховатости обработанной поверхности.

2.4. Выводы по главе

1. Проведено математическое моделирование электрофизических процессов в межэлектродном промежутке при воздействии единичного импульса на материал легированной стали 38Х2Н2МА. При длительности импульса Ton = 200 мкс получена пиковая температура в зоне действия разряда Т = 2650 °С (рисунок 2.7).

2. В результате математического моделирования получено распределение температурных полей внутри заготовки в момент единичного импульса.

3. Получена модель позволяющая прогнозировать формирование температурных полей внутри обрабатываемой детали, при КПЭЭО изделий, выполненных из износостойких легированной стали 38Х2Н2МА, с учётом физико-механических свойств материала в результате единичного электрического разряда.

4. На основе полученных данных о распределении температурных полей согласно полученной теоретической модели становится возможным варьируя параметрами обработки, и выбирая обрабатываемый материал стали с помощью приложения Comso1 рассчитать величину тепловых полей, размеров электроэрозионных лунок и производить расчет шероховатости обработанной поверхности изделия.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОПИРОВАЛЬНО-ПРОШИВНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ

38Х2Н2МА

Основными задачами проведения экспериментальных исследований являются:

1. Проверка и уточнение полученной математической модели для расчета величины шероховатости обработанной поверхности

2. Получение эмпирических уравнений, позволяющих оценить взаимосвязь между режимами КПЭЭО и формируемой шероховатостью рабочей поверхности обрабатываемой износостойкой легированной стали 38Х2Н2МА, производительностью обработки, и величиной МЭЗ.

3.1 Применяемое оборудование. Материалы исследуемых образцов

Эксперименты проводились на копировально-прошивном электроэрозионном станке Smart CNC (рисунок 3.1). В качестве электрода-инструмента выбрана заготовка 20х20х5 из меди марки М1 (ГОСТ 1173-2006). Материал обрабатываемой детали - конструкционная износостойкая легированная сталь 38Х2Н2МА. Обработка проводилась в баке станка, наполненном трансформаторном маслом (ГОСТ 982-80).

Ниже представлены технические характеристики копировально-прошивного станка в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Технические характеристики копировально-прошивного станка

Мах размеры стола 550х350 мм

Мах высота заготовки 250 мм

Мах вес заготовки 300 кг

Max вес электрода 70 кг

Ход основного стола (X, Y) 650, 350 мм

Точность обработки ±0,003 мм

Перемещение (X,Y,Z) 300,200,250 мм

Рисунок 3.1 - Копировально-прошивной электроэрозионный станок

Electrónica Smart CNC Физические свойства материалов электродов представлены в таблице 3.2. Таблица 3.2 - Физически свойства

Материал к,Вт/(м*г рад) С Дж/(кг*К) С Дж/(кг*К) Р> "2 кг/м3 Т ^плав? 0С Т кип? 0С

889 108 25

Медь М1 39 385 545

0 3 95

Для измерения размеров единичных лунок использован световой микроскоп Olympus GX 51 при увеличении 200х (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Световой микроскоп Olympus GX 51

Замеры шероховатости рабочих поверхностей электродов проводились на профилометре Mahr Perthometer S2 (рисунок 3.2) по ГОСТ 2789-73.

Рисунок 3.3 - Профилометр Mahr Perthometer S2 Технические характеристики профилометра представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Технические характеристики профилометра

Принцип измерения Щуповой метод

Разрешение 0,008 мкм

Предел допустимой системной погрешности ± 5%

Контролируемые параметры Ra, Rz, Rq,Rp,Rmr

Отсечка шага 0,08; 0,25; 0,8; 2,5; 8,0

Измерение глубины обработанной поверхности измерялись на координатно-измерительной машине (КИМ) Carl Zeiss Contura G2 с поворотной головкой RDS (рисунок 3.3).

z

Рисунок 3.4 - Координатно-измерительная машина Carl Zeiss Contura G2

Технические характеристики представлены ниже в таблице 2.4. Таблица 3.4 - Технические характеристики КИМ

Принцип измерения Щуповой метод

Точность измерения ± 1,8 мкм

Размер стола 600х700х900 мм

Количество поворотных позиций 20736

Max высота заготовки 600 мм

Перед каждым замером на профилометре или контрольно-измерительной машине рабочие поверхности ЭИ и обрабатываемых деталей протирались бензином для предотвращения искажения замеров.

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования проводятся по методу полного факторного эксперимента. Проведение полных факторных экспериментов предназначено для установления взаимосвязи между параметрами качества и производительности обработанной поверхности стали 38Х2НМА и режимами КПЭЭО.

При планировании эксперимента по схеме полного факторного эксперимента реализуются все возможные комбинации факторов на всех выбранных для исследования уровнях. Необходимое количество опытов N рассчитывается по формуле [94-96]:

Ы = пк, (3.1)

где п - количество уровней, к - число факторов. Планы 2к не обеспечивают получение отдельных оценок коэффициента Ь0 и коэффициентов bjj при квадратичных функциях.

Применение факторного эксперимента типа 3к является иррациональным ввиду того, что планирование эксперимента на трех уровнях обуславливается большим количеством экспериментов.

Целесообразно для данной задачи использование

композиционного плана, который образован путем добавления определённого количества специальных точек к «ядру», состоящему из планов 2к При добавлении к «ядру» точки в центре плана с координатами (0, 0...0) и 2к так называемых «звездных» плечей с координатами (±а, 0...0), (0, ±а, ..0), ..., (0, 0... ±а), то мы получаем центральный композиционный план, предложенный Боксом. В качестве ядра используем точки факторного эксперимента - вершины куба и квадрата (рисунок 3.5.).

Рисунок 3.5. Матрица ОКЦП

Определяем звёздное плечо:

а = ) (3.2)

Подставляем численные значения к=3, N=15^ получаем:

а=1.215, р=0.73, 1- р=0.27, а2- в = 0.75.

Выделяют ортогональное и рототабельное композиционное планирование в зависимости от критерия оптимальности. Для решения наших задач при экспериментальных исследованиях применяется ортогональное центральное композиционное планирование (ОЦКП).

Критерием оптимальности плана в ОЦКП считается ортогональность столбцов матрицы планирования. Ввиду этой ортогональности оценки коэффициентов регрессии оцениваются независимо [95-100].

Для проведения эксперимента поставлено 15 опытов, которые проводились в зависимости от выбранных режимов обработки согласно составленной матрице планирования (табл. 3.6, 3.7).

Во время планирования эксперимента значения всех параметров кодируются линейным преобразованием координат факторного пространства. Производится стыковка начала координат и нулевой точки, и выбор масштабов по осям соответственно единицам интервалов факторов варьирования. Так как основным параметром формирования шероховатости поверхности и производительности является энергия импульса., которая в свою очередь характеризуется режимами обработки, то в качестве факторов принимаем:

1. I - сила тока, А;

2. Топ - время действия импульса, мкс$

3. и - напряжение, В.

В качестве откликов принимаем:

Y1- параметр Ra шероховатости поверхности, мкм;

Y2-параметр производительности, м/час.

Y3-параметр точности, величина бокового МЭЗ, мкм.

Интервал варьирования параметров обусловлен технологическими таблицами шероховатости и производительности в зависимости от режимов резания. Таблица варьирования параметров матрицы планирования приведена ниже (таблица 3.5).

Таблица 3.5. - Интервалы варьирования

Нижнее значение Верхнее значение Среднее значение Нижнее Значение "звездного" плеча Верхнее значение "звездного" плеча

I, А 2 8 5 1 9

Т 1 оп? мкс 40 150 100 30 200

и, в 50 100 75 45 105

Число опытов от числа уровней факторов зависит по следующему закону:

N = 2к + 2к + 1 = 15, (3.3)

где N - количество опытов; к - количество факторов.

Для сведения к минимуму влияния случайных параметров процесса электроэрозионной обработки предусмотрено проведение трех параллельных опытов (у=3). В таблице 3.6 представлены исходные данные для построения матрицы планирования эксперимента.

Таблица 3.6 - Исходные параметры для матрицы

№ п/п X! (I, A) Х2 (Топ мкс) Хз (и, В)

1 2 40 50

2 8 40 50

3 2 150 50

4 8 150 50

5 2 40 100

6 8 40 100

7 2 150 100

8 8 150 100

9 1 100 75

10 9 100 75

11 5 30 75

12 5 200 75

13 5 100 45

14 5 100 105

15 5 100 75

Составляется матрица планирования с учетом кодированных факторов при значении верхнего "звездного" плеча а = 1,215 (таблица 3.7). Значения фиктивных переменных рассчитываются по следующей формуле:

9 2п + 2-а2

х'р = х}--й—' (3'4)

где р - номер фактора.

Таблица 3.7 - Матрица ОКЦП

№ X,, Х1(1,А) Х2 Топ5 мкс) Хз (и, В) Х1Х2 Х1Х3 Х2Х3 Х'4 Х'5 Х'б

1 +1 -1 -1 -1 + 1 +1 +1 0,27 0,27 0,27

2 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 0,27 0,27 0,27

3 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 0,27 0,27 0,27

4 +1 +1 +1 -1 + 1 -1 -1 0,27 0,27 0,27

5 +1 -1 -1 +1 + 1 -1 -1 0,27 0,27 0,27

6 +1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 0,27 0,27 0,27

7 +1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 0,27 0,27 0,27

8 +1 +1 +1 +1 + 1 +1 +1 0,27 0,27 0,27

9 +1 -1,215 0 0 0 0 0 0,746 -0,73 -0,73

10 +1 +1,215 0 0 0 0 0 0,746 -0,73 -0,73

11 +1 0 -1,215 0 0 0 0 -0,73 0,746 -0,73

12 +1 0 +1,215 0 0 0 0 -0,73 0,746 -0,73

13 +1 0 0 - 1,215 0 0 0 -0,73 -0,73 0,746

14 +1 0 0 +1,215 0 0 0 -0,73 -0,73 0,746

15 +1 0 0 0 0 0 0 -0,73 -0,73 -0,73

По результатам опытов для каждой строки матрицы находим среднее арифметическое значение параметра оптимизации:

(З-5)

где - значение функции отклика; i - номер параллельного опыта, j -номер опыта, Ь - количество параллельных опытов.

Для оценки отклонения оптимизационного параметра от среднего значения для всех строчек матрицы планирования вычисляем выборочную дисперсию:

к ¿=1

Ошибка опыта рассчитывается по следующей формуле:

Согласно методике факторного планирования производится дальнейшая проверка однородности дисперсии.

3.3 Выводы по главе

1. Изучены технологические особенности копировально-прошивного электроэрозионного оборудования применяемого для обработки сталей с повышенными показателями высокотемпературной износостойкости.

2. Подобран материал ЭИ, его размеры, оснастка и состав РЖ для проведения экспериментов с целью обеспечения технологической повторяемости процесса обработки аналогичного процессу КПЭЭО на предприятии ПАО «Мотовилихинские заводы». На основании технологических параметров обработки копировально-прошивного электроэрозионного станка подобраны измерительные приборы, обеспечивающие заданные показатели точности измерения

3. Определена методика проведения факторного планирования эксперимента и последующего регрессионного анализа при обработке легированной стали 38Х2Н2МА. Выбраны параметры варьирования: сила тока I, А; напряжение U, В; время включения импульса Ton; и выходные параметры: шероховатость обработанной поверхности, производительность обработки, величина бокового межэлектродного зазора, определён вид полинома для факторного эксперимента.

ГЛАВА 4. ПОЛУЧЕНИЕ ЭМПИРИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И КАЧЕСТВА ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ 38Х2Н2МА ПОСЛЕ КОПИРОВАЛЬНО-ПРОШИВНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

4.1. Факторное планирование параметра шероховатости обработанной поверхности стали 38Х2Н2МА после копировально-прошивной электроэрозионной обработки

Результаты эксперимента представлены в таблице 4.1 Таблица 4.1 - Результаты эксперимента

№ п/п Результаты повторов Среднее, У] Выбор. дисп., 5? Ошибка, Ь

У1 У2 У3

1 0,25 0,91 1,58 0,9133 0,4422 0,6650

2 3,46 4,60 2,33 3,4619 1,2883 1,1350

3 0,47 0,95 1,44 0,9519 0,2353 0,4850

4 4,22 2,18 3,19 3,1975 1,0404 1,0200

5 0,41 0,88 1,35 0,8800 0,2209 0,4700

6 4,67 2,39 3,52 3,5257 1,2997 1,1400

7 1,46 0,99 0,52 0,9897 0,2209 0,4700

8 5,42 4,01 2,60 4,0112 1,9881 1,4100

9 0,92 0,45 1,39 0,9193 0,2209 0,4700

10 5,43 3,66 7,21 5,4344 3,1506 1,7750

11 2,46 4,74 3,60 3,6007 1,2996 1,1400

12 2,52 3,65 4,78 3,6499 1,2769 1,1300

13 4,60 6,08 3,12 4,6006 2,1904 1,4800

14 6,19 3,05 4,62 4,6201 2,4649 1,5700

15 2,93 4,31 5,69 4,3109 1,9044 1,3800

Проверка однородности дисперсии проводится по критерию Кохрена (уровень значимости а = 0,05). Дисперсия является однородной в

том случае, если расчетное значение критерия будет меньше табличного значения.

„ _ тах ^ „

"расч ^¡у "табл. (4.1)

]

^расч _ 0Д64 < ^табл _ 0.335, где 5у2тах - максимальное значение выборочной дисперсии. Рассчитывается дисперсия воспроизводимости:

5у2 _ _ 1,283. (4.2)

у N

По результатам эксперимента вычисляются коэффициенты модели.

Свободный член считается по формуле:

йо _ ^ (4-3)

Коэффициенты регрессии, характеризующие линейные эффекты, вычисляются по следующей зависимости:

Ъ (44)

иР уМ г2 ' (4.4)

где р - номер фактора; Хр| - кодированные значения факторов р в j-м эксперименте.

В связи с введением фиктивных переменных необходимо уточнить коэффициент Ь'0:

р

Ь'0 _Ь'0-а2^ хру _ 4,3762. (4.5)

У=1

Определяются дисперсии коэффициентов регрессии (таблица 5):

р

Б^^Б^У-а^С^х-р) (4.6)

У=1

(4.7)

Оценка значимости коэффициентов производится по критерию Стьюдента:

/ = (к - 1) • N = 30, (4.8)

где f - число степеней свободы.

Коэффициент является значимым в том случае, если значение удовлетворяет условию: ^асч > ^абл для принятого уровня значимости и числа степеней свободы, с которым определялась ранее дисперсия .

. = N .

^расч ^52 • > ^Табл (4.9)

Рассчитанные значения коэффициентов Стьюдента и значения дисперсий воспроизводимости заносятся в таблицу 4.2. Таблица 4.2 - Коэффициенты полинома

Коэффициент регрессии Значение коэффициента Дисперсия Значение критерия Стьюдента

Ь0 3,0045 0,7455 4,0301

Ь1 1,4560 0,3422 4,2544

Ь2 0,0392 0,3422 0,1145

Ь3 0,0827 0,3422 0,2416

Ь12 0,0091 0,4005 0,0228

Ь13 0,1091 0,4005 0,2725

Ь23 0,1026 0,4005 0,2563

Ь11 -1,2827 0,5424 2,3650

Ь22 -0,9791 0,5424 1,8053

Ь33 -0,3123 0,5424 0,5758

При уровне значимости а = 0,05 предельное значение критерия Стьюдента составляет = 2,04. Незначимые коэффициенты регрессии

Ь2, Ь3 отбрасываются и в итоге получается уточненная эмпирическая модель:

у = 4,2213 + 1,456*1 + 0,0827*з + 0,1091**3 + 0,1026*2*3

1 3 13 (4.10)

- 1,2827*2 - 0,9791*| - 0,3123*|.

После расчета коэффициентов модели и проверки их значимости определяется дисперсия адекватности:

^адекв = ^^¡Г = 4,22, (4.11)

Уадекв

(4.12)

? =N-1 = 7 Уадекв 1 ',

где I - число значимых коэффициентов; у} - значение оптимизационного параметра, вычисленное для условий j- го опыта.

Гипотеза адекватности найденной модели проверяется по критерию Фишера. Если значение удовлетворяет условию: Fpасч < Fxабл для определённого уровня значимости и определённых значений степеней свободы, то модель считается адекватной:

5а2декв

^расч ^ ^табл (413)

Оу

= = (414)

^расч 3,29 ^табл 3,59.

Исходя из условия (4.14), можно сделать вывод о том, что модель является адекватной.

Проводится обратная замена параметров матрицы планирования для перехода к математической модели.

!-1 , топ-100., = и-т_В (4.15)

1 3 ^ 60 д 25

После подстановки (4.15) в (4.10) модель принимает вид:

V = 4,2213 + 1,456 (—) + 0,0827(—3 + 0,1091(— * ) +

V 3 / 25 3 25

0,1026(1^^ * Ч^Ц - 1,2827 * 0.73) - 0,9791(?

60 25 \ 3 3 /

,Топ-100

Топ-ЮО „ол „0,и-7 5 и-7 5 л

-- 0.73) — 0,3123(-*--0.73).

60 у 4 25 25 у

(4.16)

После ряда математических преобразований получаем: Яа = -0,1425 • I2 - 0,0003 • Г02п - 0,0005 • и2 + 1,8015 • I

+ 0,0493 • Топ + 0,0642 • и + 0,0015 •¡•и (4.17)

+ 0,0001 •Топ^и- 4,6094 Для уточнения полученной математической модели введён масштабный коэффициент к, учитывающий размерную площадь обрабатываемой поверхности и потери энергии импульса.

Итоговая регрессионная модель зависимости параметра шероховатости с учетом масштабного коэффициента принимает следующий вид:

Яа = к • (-0Д425/2 - 0,0003Г02П - 0,0005^2 + 1,8015/

+ 0,0493Гоп + 0,0642^ + 0,0015Ш + 0,0001Гоп^ (4.18) - 4,6094)

Полученная регрессионная модель является функцией отклика трёх переменных - силы тока I ,А, времени включения импульса Топ ,мкс, и напряженияи, В. На значение шероховатости оказывает влияние не только изменение каждого факторов, но и их совокупности.

4.2 Результаты экспериментального исследования влияния режимов обработки на шероховатость рабочей поверхности СТАЛИ

38Х2Н2МА

Для анализа эмпирической модели необходимо представить её в виде гиперповерхности. Рассекаем трёхмерными пространствами четырёхмерное пространство и проецируем на него функцию отклика при силе тока I = 3 А и 6 А, напряжении и = 60 В и 90 В, времени

действия импульса Ton = 60 мкс и 120 мкс (рисунок 3.5 - 3.10). Ряд проекций, расположенных последовательно, позволяет геометрически изобразить закон изменения значений шероховатости на обрабатываемой детали в зависимости от режимов обработки (I, Ton, U).

Рисунок 4.1 - Гиперповерхность функции отклика при I = 3 A

Рисунок 4.2 - Гиперповерхность функции отклика при I = 6 A

Из графиков гиперповерхностей (рисунок 4.1, рисунок 4.2.) следует, что при увеличении значений силы тока с 3 А до 6 А значения функции отклика увеличиваются. Проанализировав графики, установлено, что при изменении значений напряжения и длительности импульсов значения полинома Y меняются по квадратичной зависимости. Также из графиков видно, что:

- при I = 3 A максимальное значение Ra = 4,7 мкм достигается при U = 75 В, = 100 мкс, а минимальное значение Ra = 2,4 мкм при U = 100 В, ^ = 150 мкс;

- при I = 6 A максимальное значение Ra = 6,6 мкм достигается при U = 80 В, = 100 мкс, а минимальное значение Ra = 5,3 мкм при U = 50 В, ^ = 40 мкс.

Рисунок 4.3 - Гиперповерхность функции отклика при U = 60 В

Рисунок 4.4 - Гиперповерхность функции отклика при и = 90 В

На графиках гиперповерхностей (рисунок 4.3,4.4) наблюдаются квадратичные зависимости при постоянных значения напряжения и = 60 В и 90 В. При увеличении напряжения с 60 В до 90 В изменения функции отклика незначительны. Из графиков видно следующее:

- при и = 60 В максимальное значение Ra = 6,4 мкм достигается при I = 7 А, Топ = 100 мкс, а минимальное значение Ra= 2,5 мкм при I = 2 А, Топ = 40 мкс;

- при и = 90 В максимальное значение Ra = 6,6 мкм достигается при I = 7 А, Топ = 100 мкс, а минимальное значение Ra = 2,3 мкм при I = 2 А, Топ = 40 мкс.

Рисунок 4.5 - Гиперповерхность функции отклика при Ton = 60 мкс

Рисунок 4.6 - Гиперповерхность функции отклика при Ton = 120 мкс Из графиков гиперповерхностей (рисунок 4.5, 4.6) видно, что эмпирическая модель устанавливает взаимосвязь режимов резания и параметра Ra при Ton =60 мкс и 120 мкс. Из графиков видно следующее:

- при Ton = 60 мкс максимальное значение Ra = 6,2 мкм достигается при I = 7 А, U = 80 В, а минимальное значение Ra= 2,6 мкм при I = 2 А, U = 100 В;

- при Ton = 120 мкс максимальное значение Ra = 6,5 мкм достигается при I = 7 А, U = 85 В, а минимальное значение Ra = 3 мкм при I = 2 А, U = 50 В.

Полученные гиперповерхности показывают зависимость получаемой шероховатости рабочей поверхности хромсодержащей стали 38Х2Н2МА от режимов обработки при копировально-прошивной электроэрозионной обработке. При изменении значений напряжения и времени действия импульсов значения функции отклика отличаются незначительно (около 5-6%), однако, при изменении силы тока значения полинома отличаются в среднем на 25%.

4.3. Сопоставление результатов экспериментального и математического моделирования процесса копировально-прошивной

электроэрозионной обработки

Проведены расчеты зависимости формируемой шероховатости на хромоникелевой стали по теоретической и экспериментальной моделям. Результаты расчетов сведены в таблицы 4.3-4.5. Таблица 4.3 - Влияние силы тока I на формируемую шероховатость

I, А Ton, мкс U, В Кязкспер, мкм Raтеор, мкм Отклонение, %

2,5 150 100 3,24 3,55 28

3,0 150 100 3,82 4,21 22

3,5 150 100 4,33 4,84 18

4,0 150 100 4,77 5,47 17

4,5 150 100 5,14 6,01 16

5,0 150 100 5,43 6,12 16

5,5 150 100 5,66 6,84 13

6,0 150 100 5,81 7,43 11

6,5 150 100 5,89 7,59 12

7,0 150 100 5,91 7,80 10

Анализ результатов показал, что сила тока оказывает большое влияние на шероховатость рабочей поверхности стали 38Х2Н2МА. С увеличением силы тока значения микрогеометрии рабочей поверхности как в теоретической, так и в экспериментальной модели увеличились в среднем в 2 раза (рисунок 4.7). Максимальное отклонение значений математической модели от экспериментальных значений составило 28% при минимальной силе тока I = 2,5 А. а

S

i 7

——ж- II

f*

£

2,5

3,5

4,5 5

^■Эксперимент Мат. модел ь

5,5

5,5

7

Рисунок 4.7 - График зависимости формируемой шероховатости от силы

тока I

Расчет влияния времени действия импульса Ton на формируемую шероховатость обрабатываемой детали приведен в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Влияние времени действия импульса Ton на формируемую

шероховатость

I, Ton, U, В Каэкспер, Катеор, Отклонение,

А мкс мкм мкм %

8 40 100 5,23 6,94 25

8 50 100 5,54 7,06 22

8 60 100 5,81 7,18 19

8 70 100 6,01 7,21 17

8 80 100 6,17 7,48 18

8 90 100 6,26 7,51 17

8 100 100 6,31 7,55 16

8 110 100 6,30 7,39 15

8 120 100 6,23 7,25 14

8 130 100 6,15 7,31 16

Выявлено, что при увеличении времени действия импульса Ton в диапазоне от 40 мкс до 130 мкс шероховатость увеличилась в среднем на 10% у теоретической и экспериментальной модели (рисунок 4.8). Наибольшее отклонение в значениях шероховатости составило 25% и наблюдается при Ton = 40 мкс.

S

4

АО SO 60 70 80 90 100 110 120 130

Ш Эксперимент Тол, мкс

■ йг— Мот модель

Рисунок 4.8 - График зависимости формируемой шероховатости от времени действия импульса Ton Проведен расчет влияния напряжения на формируемую шероховатость (таблица.4.5).

Таблица 4.5 - Влияние напряжения U на формируемую шероховатость

I, А Ton, U, ^аэкспер, RaTeop, Отклонение,

мкс В мкм мкм %

8 150 55 5,33 6,89 23

8 150 60 5,47 6,97 22

8 150 65 5,59 7,03 21

8 150 70 5,68 7,10 20

8 150 75 5,75 7,08 19

8 150 80 5,79 7,14 19

8 150 85 5,81 7,05 18

8 150 90 5,80 6,98 17

8 150 95 5,77 6,80 15

8 150 100 5,71 6,61 14

Анализ проведенных расчетов показывает, что при увеличении напряжения экспериментальное и теоретическое значения микрогеометрии рабочей поверхности обрабатываемой детали увеличилось на 8% (рисунок 4.9). Максимальное отклонение теоретического значения шероховатости от экспериментального составило 23% при U = 55 В.

5 "I---i-'-1-1-1-1-i-'-1-1-i-'-i-1-

55 SO 65 70 75 80 85 90 95 100

—Эксперимент jj g

а Маг. модель

Рисунок 4.9 - График зависимости формируемой шероховатости от

напряжения U

Расхождения в теоретической и экспериментальной моделях при минимальных режимах (I, Ton, U) в среднем составляют 25%. Это связано

с тем, что при моделировании математической модели сделаны такие допущения, как расплавление и удаление металла из зоны обработки, перенос теплоты в электроды и в диэлектрическую жидкость. В графиках наблюдается схождение экспериментальных и теоретических значений в точках максимальных значений одного из изменяемых параметров обработки (I, Ton, U).

Замеры лунок рабочих поверхностей обрабатываемых деталей проводились на электронном микроскопе. В результате получены средние значения диаметров лунок в мкм и занесены в таблицу 4.6. Таблица 4.6 - Средние значения диаметров лунок в зависимости от

режимов обработки.

№ опыта Режимы ЭЭО Среднее значение диаметров лунок, мкм

I, A Ton, мкс U, В

1 2 40 50 62,45

2 8 40 50 215,784

3 2 150 50 58,556

4 8 150 50 213,970

5 2 40 100 48,230

6 8 40 100 235,396

7 2 150 100 58,428

8 8 150 100 218,478

9 1 100 75 50,935

10 9 100 75 245,998

11 5 30 75 226,247

12 5 200 75 223,576

13 5 100 45 219,378

14 5 100 105 237,118

15 5 100 75 216,305

Математическая модель поверхности обрабатываемой детали представляет собой лунку, полученную в результате воздействия единичного импульса в зависимости от заданных режимов.