Брянск, Брянская область, Россия
Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Обобщены результаты теоретических иссле-дований влияния режимов электроэрозионной об-работки на эксплуатационные свойства деталей. Показано, что на усталостную прочность и износостойкость большее влияние оказывает напряжение, действующее между электродами.
усталостная прочность, износостойкость, электроэрозионная обработка, ЭЭО, качество поверхностного слоя
Введение
Обработка металлов различной твердости с высокой точностью возможна при использовании нетрадиционных методов обработки. Одним из таких методов является электроэрозионная обработка (ЭЭО). ЭЭО заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности электропроводной заготовки под действием электрических разрядов между заготовкой и электродом-инструментом. ЭЭО экономически выгодно применять при обработке сложнопрофильных деталей, одними из представителей которых являются формообразующие детали (ФОД) пресс-форм.
При электроэрозионной обработке ФОД в поверхностном слое материала возникают остаточные напряжения, которые являются причиной разрушения формообразующих деталей, что приводит к поломке пресс-формы в целом[1; 3; 4]. Для решения данной проблемы следует разработать комплекс мероприятий по повышению надежности и долговечности ФОД на основе обеспечения заданных, требуемых или предельных эксплуатационных свойств.
В настоящее время для обеспечения заданных эксплуатационных свойств деталей при ЭЭО применяют функционально-ориентированные технологии (рис. 1) [2; 5; 6; 7].
Основные этапы разработки функционально-ориентированных технологических процессов ЭЭО:
- анализ основных элементов конструкции и выделение типовых поверхностей изделия;
- определение служебных функций типовых поверхностей изделия;
- определение эксплуатационного свойства или группы эксплуатационных свойств, обеспечивающих выполнение поверхностью изделия служебной функции;
- определение параметров качества поверхностного слоя, обеспечивающих эксплуатационное свойство или группу эксплуатационных свойств;
- рассмотрение схемы технологического воздействия, вариантов и условий реализации технологических операций ЭЭО для обеспечения необходимых параметров качества поверхностного слоя.
Целью проводимого теоретического исследования является получение теоретических зависимостей, описывающих взаимосвязь эксплуатационных свойств Эi (усталостной прочности и износостойкости) с условиями электроэрозионной обработки Рi , т.е. Эi=f(Pi).
Получение теоретических зависимостей взаимосвязи усталостной прочности и износостойкости с режимами электроэрозионной обработки
Усталостная прочность – свойство материала не разрушаться с течением времени под действием изменяющихся рабочих нагрузок. Разрушение происходит из-за появления микротрещин, их накопления, затем объединения в одно макроразрушение. При электроэрозионной обработке ФОД в поверхностном слое образуются остаточные напряжения, что приводит к появлению микротрещин. Чтобы решить данную проблему, следует обеспечить такие режимы ЭЭО, которые не ухудшат показатели усталостной прочности.
Сопротивление усталости характеризуется коэффициентом концентрации напряжений, который рассчитывается по формуле [7]
где – наибольшая высота профиля шероховатости;
– расстояние от высшей точки наибольшего выступа профиля до линии единичных выступов в пределах базовой длины; Sm – средний шаг неровностей профиля шероховатости; tm – относительная опорная длина профиля на уровне средней линии;
– коэффициент после электроэрозионной обработки, который необходимо определить в результате экспериментальных исследований.
В свою очередь, параметры шероховатости при ЭЭО можно рассчитать по теоретическим зависимостям [8; 9; 11]:
где b - коэффициент перекрытия лунок; I – сила тока; U – напряжение, подаваемое на электроды; - коэффициент полезного использования энергии импульса; t – длительность импульсов; с – удельная теплоемкость материала; r - плотность материала; Тп – температура плавления материала; р – уровень сечения (50%).
Подставив уравнения (2-6) в уравнение (1), получим
Из уравнения (7) видно, что усталостная прочность зависит от силы тока, напряжения и длительности импульсов, а также от физико-механических свойств материала заготовки.
Исследования проводились для инструментальных штамповых сталей. На рис. 2, 3 и 4 приведены графики зависимостей усталостной прочности от режимов ЭЭО.
Износостойкость – эксплуатационное свойство, определяющее способность поверхностных слоев деталей сопротивляться разрушению при трении скольжения, трении качения, а также при микроперемещениях, обусловленных воздействием вибраций. Трение и изнашивание деталей в значительной степени определяются формой и высотой шероховатости, а также направлением штрихов обработки.
Для оценки качества поверхностей трения предложен параметр, характеризующий равновесное состояние поверхностей трения [7]:
где Hmax – макроотклонения поверхности; Wz – волнистость поверхности; Ra, Sm – параметры шероховатости поверхности; tm – относительная опорная длина профиля на уровне средней линии; Uн – степень наклепа поверхностного слоя; l – коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных напряжений второго рода на износ.
Волнистость поверхности после ЭЭО можно рассчитать по теоретической зависимости [8; 9; 11]
где I – сила тока; - коэффициент полезного использования энергии импульса; t – длительность импульсов; с – удельная теплоемкость материала; r - плотность материала; Тп – температура плавления материала; Umax – максимальное напряжение при обработке; Umin – минимальное напряжение при обработке.
Степень наклепа поверхностного слоя определяется формулой [9]
где Hh – микротвердость наклепанного слоя; Ни – микротвердость исходного материала.
В свою очередь, микротвердость наклепанного слоя при электроэрозионной обработке определяется формулой [8; 9; 11]
где Аи – энергия импульса; Пд – коэффициент фазовых превращений Палатника материала детали; Пи – коэффициент фазовых превращений Палатника материала инструмента.
Коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных напряжений второго рода на износ, определяется формулой [7]
где – временное сопротивление разрушению; dа – действующее значение амплитудного напряжения на поверхности трения; t – параметр фрикционной усталости при упругом контакте.
Подставив уравнения (2-6), (9-12) в уравнение (8), получим
Таким образом, анализируя зависимость (13) и графики, изображенные на рис. 5, 6 и 7, можно сделать вывод о том, что износостойкость зависит как от режимов электроэрозионной обработки, так и от физико-механических свойств материала детали.
На основе проведенных теоретических исследований были получены значения эксплуатационных параметров для различных режимов ЭЭО (таблица). Данные таблицы позволяют установить режимы электроэрозионной обработки, которые обеспечивают получение требуемых параметров усталостной прочности и износостойкости.
Таблица
Взаимосвязь усталостной прочности и износостойкости с условиями ЭЭО
|
Режим обработки |
Режимы электроэрозионной обработки |
||||
|
Технологические параметры |
I, А |
2,6 |
10 – 30 |
2,6 |
|
|
U, В |
30 |
30 |
30 – 50 |
||
|
tи, мкс |
8 – 16 |
8 |
8 |
||
|
Параметры, характеризующие эксплуатационные свойства |
Износостойкость |
С |
6,73 |
5,55 |
7,6 |
|
Усталостная прочность |
σ |
790-700 |
880 – 720 |
898 – 800 |
|
Заключение
В ходе проведенных теоретических исследований были получены функциональные зависимости взаимосвязи эксплуатационных свойств (усталостной прочности и износостойкости) с условиями электроэрозионной обработки. Из таблицы можно сделать вывод, что усталостная прочность и износостойкость зависят от силы тока, напряжения, подаваемого на электроды, и длительности импульсов. Большее влияние на параметры эксплуатационных свойств оказывает напряжение, действующее между электродами.
Данные исследования позволят обеспечивать требуемые эксплуатационные свойства, что снизит риски поломки ФОД и увеличит срок службы пресс-формы в целом.
1. Федонин, О.Н. Обеспечение износостойкости и усталостной прочности поверхностей при электроэрозионной обработке / О.Н. Федонин, С.Ю. Съянов, А.М. Папикян // Наукоёмкие технологии в машиностроении. - 2017. - № 11 (77). - С. 10-14.
2. Съянов, С.Ю. Функционально-ориентированные технологии при электроэрозионной обработке / С.Ю. Съянов, А.М. Папикян // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2018. - № 2 (80). - С. 35-39.
3. Козлов, В.Г. Современные методы обработки металлов. Электроэрозионная обработка / В.Г. Козлов, В.С. Волков // Молодежный вектор развития аграрной науки. - 2015. - С. 180-184.
4. Сарилов, М.Ю. Выбор параметров управления качеством при электроэрозионной обработке поверхностей деталей / М.Ю. Сарилов, М.А. Покотило // Автоматизация. Современные технологии. - 2009. - № 4. - С. 3-9.
5. Брецких, А.Ф. Электроэрозионная обработка / А.Ф. Брецких В.И. Сысун // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. - 2010. - № 2 (107). - С. 78-82.
6. Михайлов, А.Н. Общие особенности функционально-ориентированных технологий и принципы ориентации их технологических воздействий и свойств изделий / А.Н. Михайлов // Машиностроение и техносфера XXI века: сб. тр. XIV междунар. науч.-техн. конф. (г. Севастополь, 17-22 сент. 2007 г.): в 5 т. - Донецк: ДонНТУ, 2007. - Т. 3. - С. 38-52.
7. Михайлов, А.Н. Функционально-ориентированные технологии. Особенности синтеза новых и нетрадиционных свойств изделий / А.Н. Михайлов // Машиностроение и техносфера XXI века: сб. тр. XV междунар. науч.-техн. конф. (г. Севастополь, 15-20 сент. 2008 г.): в 4 т. - Донецк: ДонНТУ, 2008. - Т. 2. - С. 290-314.
8. Syanov, S.Y. Theoretical determination of surface layer quality characteristics of workpieces, tool electrode wear and efficiency of spark eroding / S.Y. Syanov // Proceedings of 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems. - 2015.
9. Съянов, С.Ю. Теоретическое определение параметров качества поверхностного слоя деталей, износа электрода-инструмента и производительности процесса при электроэрозионной обработке / С.Ю. Съянов // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2016. - № 1 (49). - С. 67-73.
10. Суслов, А.Г. Научные основы технологии машиностроения / А.Г. Суслов, А.М. Дальский. - М.: Машиностроение, 2002. - 684 с.
11. Съянов, С.Ю. Технологическое управление параметрами качества поверхностного слоя деталей машин при электроэрозионной обработке / С.Ю. Съянов // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2014. - № 6 (36). - С. 24-29.
