Образование шероховатости поверхности при электроэрозионной обработке

В результате электроэрозионной обработки образуется поверхность, представляющая собой совокупность большого количества лунок. В связи с этим радиус r _л, глубина h _л лунки и их соотношение, характеризующееся коэффициентом K = r _л/ h _л, будут оказывать существенное влияние на параметры шероховатости поверхности.

Размеры лунок зависят от энергии W _и и длительности t _и импульса, величины межэлектродного зазора, состава рабочей жидкости, материала и полярности включения электродов и других факторов. При обработке меди радиус лунки r _л в плане изменяется от 4 до 400 мкм при регулировании W _и от 10^–6 до 2 Дж. Изменение t _и от нескольких до 130 мкс при регулировании W _и, обеспечивающем максимальную производительность, обуславливает практически постоянное значение коэффициента K = 5. Вместе с тем отклонение W _и и t _и от соотношения обеспечивающего максимальный съем металла в единицу времени, приводит к колебаниям коэффициента K в широких пределах. Так, регулирование W _и от 0,2 до 2 Дж при постоянном значении t _и = 615 мкс влечет за собой колебание коэффициента K от 12 до 5.

При обработке на грубых режимах (W _и = 3…10 Дж,
t _и = 1000 мкс) полярность включения электродов, состав рабочей среды и материал электрод-инструментов оказывает влияние на диаметр d _л и глубину h _л лунки. С ростом межэлектродного зазора от 5 до 150 мкм при обработке с t _и = 2500 мкс алюминия, стали, латуни, меди, подключенных к отрицательному полюсу, d _л возрастает на
15-20 % (у алюминия – с 1,6 до 1,9 мм, у стали – с 1,55 до 1,8 мм), а h _л остается постоянной и равной для алюминия 0,16 мм, стали, латуни, меди-0,08 мм. В итоге коэффициент K при обработке алюминия колеблется от 5 до 6, а при обработке стали – от 6 до 18 (табл. 2.6).

Таблица 2.6

Некоторые данные о размере единичной лунки

Материал	Режим обработки	r л ср, мм	h л ср, мм	K
I,А	t и, макс
Сталь Ст3   Стать 4Х13 Сплав ВК20 Латунь ЛС59-1 Медь М2			59,5	3,4	4,58 4,9 5,1 7,6 5,58 5,25

Возможное искажение формы лунки зависит от ряда факторов. Одним из них является силовое воздействие струй паров, которое не только формирует металл валика, окаймляющего лунку, но и обуславливает крайне неравномерное перемещение микрообъемов еще не застывшего металла лунки. Кроме того, на поверхность лунки в большом количестве попадают микропорции металла электрод-инструмента и обрабатываемой заготовки в жидком состоянии, что также приводит к искажениям профиля лунки (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Фотографии лунок, образовавшихся при обработке стали:

а – сталь 4Х13 I _cp = 50 А; f = 1 кГц (´35); б – сталь Ст3 I _cp = 20 А; f = 1 кГц (´70)

В результате электроэрозионной обработки поверхность приобретает специфическую шероховатость, параметры которой определяются размерами и геометрией двух групп неровностей: полученных в результате взаимного пересечения лунок и образовавшихся в результате искажения профиля лунки. Первая группа неровностей в значительной степени будет определяться размерами лунок r _ли h _л, коэффициентом K,а также коэффициентом взаимного перекрытия лунок, т.е. факторами, с помощью которых можно определять те или иные параметры шероховатости. Вторая группа неровностей полностью определяется случайными факторами.

Вышеизложенное позволяет разделить реальный профиль шероховатости поверхности (рис. 2.15, а)на две составляющие: систематическую и случайную. Этот способ, предложенный И.В. Дуниным-Барковским для изучения поверхностей, обработанных резанием, дал новые сведения о закономерностях их формообразования. Так, в частности, шероховатость поверхности, полученной в результате электроэрозионной обработки, будет иметь две группы выступов: систематические и случайные; их высоты обозначим соответственно R _b и R _g. Из природы образования неровностей следует, что выступы высотой R _b образуются в результате взаимного пересечения лунок, а выступы высотой R _g – застывшими микропорциями расплавленного металла.

Рис. 2.15. Варианты (б, в)систематической составляющей реального профиля

(а)– шероховатости поверхности, обработанной электроэрозионным способом:
В – вертикальное увеличение; Г – горизонтальное увеличение

При рассмотрении процесса формообразования поверхности используется ряд упрощений. В частности, принято, что рабочая жидкость подается в межэлектродный зазор таким образом, что удаляемые ею в процессе обработки продукты эрозии за пределами газовой полости не оказывают существенного влияния на место прохождения последующих разрядов. После прохождения первого электрического разряда, ось второго разряда с высокой степенью достоверности будет проходить через границу газовой полости по валику металла, окаймляющему единичную лунку, возникшую после первого разряда. По-видимому, в последующем наиболее выступающие участки на обрабатываемой поверхности будут образовываться при пересечении валиков металла, окаймляющих лунки.

Удаление металла с заготовки происходит вначале в пределах первого слоя, толщина которого равна h _л1 – R ₁,и только после его снятия по всей поверхности удаляется второй слой толщиной h _л2 – R ₂,где R ₂– высота неровностей профиля шероховатости, определяемая как R ₀ -z _в(рис. 2.16).

Рис. 2.16. Схема образования новой поверхности после удаления слоя металла:

● – вершины неровностей; ○ – впадины неровностей

После удаления первого слоя металла будет сформирована новая поверхность. В реальных условиях она образуется в результате наложения лунок разных размеров и формы, перекрывающих одна другую с различным коэффициентом перекрытия. Вместе с тем идеализированная схема образования новой поверхности как процесса наложения лунок разных размеров позволила выявить ряд особенностей профиля шероховатости, полезных для практики.

Рассмотрение новой поверхности (рис. 2.16) с учетом некоторых особенностей реального профиля позволяет сделать следующие замечания. Наиболее удаленные от уровня исходной поверхности Д-Д точки дна лунок О, О₁, О₂ и т.д. располагаются вполне закономерно, а именно как бы в вершинах треугольников OO₁O₄, O₄O₁O₅ и т.д. Выступы 1, 2, 3 и т.д., имеющие наибольшую высоту, располагаются так же закономерно, как бы в вершинах четырех – восьмиугольников, но чаще всего в вершинах шестиугольников (1, 2, 3, 9, 8, 7 и т.д.). При этом каждый из указанных выступов (2, 9 и т.д.) находится в центре тяжести треугольников (OO₁O₄, O₄O₅O₁ и т.д.), в вершинах которых располагаются центры единичных лунок (О, О₁, О₂ и т.д.).

После удаления первого слоя металла толщиной h _л1 – R ₁при втором проходе с заготовки удаляется следующий, второй слой металла. Логично допустить (при изложенных выше упрощениях), что каналы разрядов будут образовываться между электрод-инструментом и выступами 1, 2, 3, 4 и т.д. При указанные выступы явятся центрами лунок, и после удаления второго слоя металла будут представлять собой точки, наиболее удаленные от исходной поверхности заготовки. С другой стороны, точки О, О₁, О₂.и т.д. после снятия первого слоя металла определяли положение впадин, а после снятия второго слоя в этих местах возможно образование выступов.

Таким образом, после удаления второго слоя металла впадины поверхности (1, 2, 3 и т.д.) могут располагаться как в вершинах многоугольников, чаще всего – шестиугольников(1, 2, 3, 9, 8, 7 и т.д.), а наибольшие выступы (О, О₁, О₂ и т.д.) – преимущественно в вершинах треугольников (OO₁O₄, O₁O₃O₅ и т.д.) вблизи центров упомянутых шестиугольников. После снятия третьего слоя металла с заготовки ее поверхность будет близка по виду к поверхности, полученной после снятия первого слоя.

Расположение выступов и впадин показывает, что после снятия первого и второго слоев металла с заготовки геометрия профиля шероховатости поверхности будет существенно зависеть от места и направления рассмотрения поверхности, для подтверждения сказанного были вычерчены профили в сечениях, параллельных оси X и оси Y, а также под углом 30 и 60º к оси Х после удаления с заготовки первого и второго слоев металла. Сопоставление элементов неровностей, полученных геометрическими построениями и профилографированием, показало их большое сходство (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Характерные неровности профиля, полученные построением (а)
и экспериментально (б)

Коэффициент перекрытия колеблется в пределах 0,5-1,55 при обработке стали и в пределах 0,15÷1,8 при обработке латуни [24].

Таким образом, поверхности, обработанные любым из электроэрозионных методов, состоят из отдельных типовых неровностей профиля, размер форма которых достаточно полно определяются размерами единичных лунок и коэффициентом их перекрытия β.

Шероховатость R_z зависит от энергии импульса и его длительности t _и. Причем длительность импульса t _и оказывает меньшее влияние на , чем энергия импульса W _и

, (2.25)

где k _э – коэффициент, зависящий от материалов электродов (табл. 2.7), коэффициенты х и у зависят от материала стали.

Таблица 2.7

Зависимость коэффициента k _эот материалов электрод-инструмента

Обрабатываемый материал	Электрод-инструмент	k э
Сплав на никелевой основе	Латунный (ЛС59-1) и углеграфитовые (ЭЭГ) Алюминиевый Чугунный
Сталь 1X18H9T	Латунный, алюминиевый и углеграфитовый Из серого чугуна

Из приведенного выражения следует, что рост t _и примерно в 10 раз вызывает увеличение R_z в 1,4-1,6 раза, а такое возрастание W _и приводит к увеличению R_z в 3 раза.

Наряду с экспериментальными исследованиями высота неровностей профиля шероховатости обработанной поверхности определялась и расчетным путем, исходя из параметров лунки. Из геометрических построений с учетом взаимного перекрытия лунок равных размеров Б.Н. Золотых определил максимальную высоту неровностей профиля [24]

. (2.26)

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛЛОВ

Дата добавления: 2017-02-01