Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и формулирование задач исследования 13
1.1. Проблема изготовления глубоких отверстий малого диаметра и пути её решения 13
1.1.1. Метод механической обработки 14
1.1.2. Метод электроэрозионной прошивки 15
1.1.3. Метод лазерного получения отверстий 17
1.1.4. Метод электрохимической прошивки 18
1.1.5. Метод электронно–лучевой прошивки отверстий 20
1.1.6. Метод химического травления отверстий 21
1.1.7. Выводы по результатам обзора 21
1.2. Электроэрозионная прошивка: актуальность, проблемы и перспективы 22
1.2.1. Актуальность применения метода и технологий электроэрозионной обработки 23
1.2.2. Проблемы и перспективы электроэрозионной обработки 25
1.3. Влияние УЗ поля на процесс электроэрозионной прошивки отверстий малого диаметра 29
1.3.1. Звукокапиллярный эффект 29
1.3.2. Применение УЗ колебаний при электроэрозионной прошивке отверстий 30
1.4. Цель и задачи исследования 37
Глава 2. Теоретический анализ производительности операции прошивки отверстий малого диаметра 39
2.1. Введение и постановка задачи 39
2.2. Влияние примесей на электрическую прочность жидких диэлектриков 45
2.3. Моделирование процессов эвакуации продуктов эрозии из каналов малого сечения 47
2.3.1. Гидродинамическое воздействие газового пузыря на продукты эрозии 47
2.3.2.Эвакуация продуктов эрозии принудительной прокачкой 52
2.3.2.1.Постановка задачи 52
2.3.2.2. Ламинарное одномерное течение вязкой жидкости 53
2.3.3. Конвективный массоперенос вращающимся электродом инструментом 57
2.3.4. Инициирование механических колебаний в рабочей жидкости 61
2.3.4.1. Влияние механических колебаний на движение рабочей среды 61
2.3.4.2. Влияние вибраций на производительность обработки в условиях прошивки малых отверстий 63
2.3.4.3. Особенности течения жидкостей при наложении осцилляций 65
2.4. Течение жидкости в капиллярной трубке при наложении ультразвукового поля 67
2.5. Сравнительная характеристика различных способов эвакуации продуктов эрозии из межэлектродного промежутка 71
2.6. Перспективы применения принципов нелинейной волновой механики многофазных систем в технологии электроэрозионной обработки 72
2.7. Выводы по главе 2 74
Глава 3. Общая методика исследований 76
3.1. Материалы и образцы 77.
3.2. Экспериментальное оборудование 79
3.3. Методика измерения амплитуды ультразвуковых колебаний 82
3.4. Анализ схем наложения ультразвукового поля на процесс электроэрозионной прошивки 83
3.5. Методика проведения осциллографических исследований 84
3.6. Методика оценки значения удельной эрозии материала 86
3.6.1. Порядок проведения эксперимента 86
3.6.2. Методика измерений геометрических параметров лунок 88
3.7. Ограничения энергии импульса при прошивке отверстий малых диаметров 90
3.8. Методика исследования влияния ультразвуковых колебаний на производительность электроэрозионной прошивки 91
3.9. Методика исследования влияния ультразвуковых колебаний на показатели качества поверхностного слоя 94
3.10. Оценка достоверности результатов измерений 94
3.11. Выводы по главе 3 95
Глава 4. Экспериментальное исследование технологических показателей комбинированной обработки 96
4.1. Исследования процесса электрической эрозии 96
4.1.1.Исследование электрических характеристик искрового разряда 96
4.1.2. Уточнение значения удельной эрозии 100
4.2. Экспериментальные исследования влияния ультразвукового поля на технологические характеристики операции электроэрозионной прошивки отверстий 103
4.2.1. Влияние ультразвукового поля на производительность прошивки 103
4.2.2. Влияние УЗ поля на стабильность процесса прошивки отверстий малого диаметра 109
4.2.3. Особенности электроэрозионной прошивки глухих отверстий с наложением ультразвуковых колебаний 110
4.2.3.1. Обсуждение и оценка значимости возможных механизмов интенсификации эвакуации продуктов эрозии 111
4.2.3.2. Основные допущения и положения модели интенсификации течения жидкости в кольцевом межэлектродном промежутке при прошивке отверстий 113
4.2.3.3. Модель полупроницаемого поршня 118
4.2.3.4. Модель подъёма жидкости в результате ударной волны 119
4.2.3.5. Подъём жидкости под действием кумулятивных микроструй 121
4.2.4. Влияние ультразвукового поля на показатели качества поверхностного слоя 127
4.3. Выводы по главе 4 129
Глава 5. Промышленное применение результатов исследований 131
5.1. Конструкторские разработки 131
5.1.1.Способкомбинированной обработки отверстий малого диаметра.. 131
5.1.2. Разработка схемы синхронизации эрозионных импульсов и УЗ колебаний 133
5.1.3. Станок для электроэрозионной прошивки отверстий 134
5.1.4. Оснастка для электроэрозионного оборудования 139
5.2. Технологические разработки 141
5.2.1. Технологические рекомендации по разработке операции ЭЭП отверстий малого диаметра с наложением УЗ поля 141
5.2.2. Проектирование технологии изготовления 580 отверстия в детали типа фильтр 143
5.2.2.1. Анализ детали, технических требований и способов получения отверстий 144
5.2.2.2. Сравнение одноэлектродной и многоэлектродной обработки 144
5.2.2.3. Инструмент для многоэлектродной прошивки 147
5.2.2.4. Результаты исследования технологии 151
5.2.2.5. Технико-экономическая оценка 155
5.3. Выводы по главе 5 158
Основные результаты и выводы по диссертации 159
Список литературы 161
Приложение 172
- Проблемы и перспективы электроэрозионной обработки
- Конвективный массоперенос вращающимся электродом инструментом
- Методика исследования влияния ультразвуковых колебаний на производительность электроэрозионной прошивки
- Подъём жидкости под действием кумулятивных микроструй
Введение к работе
Актуальность. Проблема развития технологий получения глубоких отверстий малого диаметра, особенно в материалах, трудно обрабатываемых резанием, решается в современном машиностроительном производстве. Такие отверстия применяются в качестве элементов системы охлаждения деталей горячей части двигателей, турбинных и сопловых лопатках, форсунках, фильтрах.
Одним из перспективных и быстро развивающихся методов получения отверстий является электроэрозионная прошивка, обеспечивающая возможность получения отверстий диаметром до 0,025 мм, с отношением длины к диаметру до 100…200.
При прошивке глубоких отверстий малого диаметра возникают проблемы с эвакуацией продуктов эрозии из межэлектродного промежутка (МЭП). Величина МЭП в зависимости от энергии импульса лежит в пределах от 10 до 100 мкм, что затрудняет естественную эвакуацию продуктов эрозии. Накопление в МЭП продуктов эрозии приводит к снижению скорости обработки из-за увеличения количества непроизводительных импульсов, повышению износа электрода-инструмента (ЭИ), ухудшению качества поверхности.
В связи с этим разработаны различные способы эвакуации продуктов эрозии из МЭП. Исследования влияния условий эвакуации продуктов разряда на технологические характеристики электроэрозионной обработки (ЭЭО) проведены и опубликованы в работах Б.Р. Лазаренко, Б.Н. Золотых, Н.К. Фотеева, М.К. Мицкевича, И.Г. Некрашевича, Б.И. Ставицкого, И.Б. Ставицкого, О.Н. Кавтарадзе, Э.Т. Абдукаримова, А.К. Алтынбаева, А.Г. Бойцова, А.Ф. Бойко, J.Kozak, G. Cusanelli, K. Rajukar, B.H. Yan.
Анализ известных способов циркуляции рабочей жидкости в МЭП указывает на определенные ограничения при их использовании в операции прошивки малых отверстий. Для прошивки таких отверстий необходима разработка новых способов и средств эффективной эвакуации продуктов эрозии, обеспечивающих высокую конкурентоспособность операций электроэрозионной прошивки. К таким способам относят наложение ультразвукового поля на процесс электроэрозионного разрушения материала. Этот способ исследован недостаточно, отсутствуют апробированные в производственных условиях средства технологического оснащения. Таким образом, тема диссертационной работы, направленная на совершенствование технологии электроэрозионной прошивки отверстий малого диаметра путем наложения ультразвукового поля является актуальной, имеет научное и практическое значение.
Целью диссертационной работы является повышение производительности технологической операции электроэрозионной прошивки глубоких отверстий малого диаметра путем наложения ультразвукового (УЗ) поля.
Основные задачи исследования:
1. На основе моделирования основных способов эвакуации продуктов эрозии из МЭП выявить область эффективного применения УЗ поля в операции электроэрозионной прошивки.
2. Предложить механизм воздействия ультразвукового поля на рабочую
жидкость, обеспечивающий интенсификацию вывода продуктов разрушения
материала из межэлектродного промежутка.
-
Исследовать электроэрозионную обрабатываемость стали 12Х18Н10Т и установить значение удельной эрозии материала в условиях проведения операции прошивки малых отверстий.
-
Выявить влияние ультразвукового поля на технологические показатели (производительность, стабильность машинного времени обработки, качество поверхностного слоя) операции электроэрозионной прошивки.
-
Разработать технологические рекомендации по проектированию технологических процессов электроэрозионной прошивки глубоких отверстий малого диаметра с наложением ультразвуковых колебаний.
-
Разработать и апробировать способ, технологию, оборудование и специальный инструмент для электроэрозионной прошивки глубоких отверстий малого диаметра с наложением ультразвуковых колебаний.
Научная новизна работы.
-
Предложена и обоснована модель процесса ЭЭО, описывающая параболический характер зависимости объемной скорости эрозии материала от энергии разряда. Модель качественно согласуется с ранее полученными экспериментальными данными и позволяет обосновать определяющую роль процесса эвакуации продуктов эрозии из рабочей зоны при решении задачи повышения производительности. Сформулированы и обоснованы ограничения, накладываемые на величину энергии разрядного импульса при прошивке отверстий малого диаметра.
-
На основании полученных экспериментальных данных выдвинута и обоснована гипотеза о том, что в основе механизма повышения производительности ЭЭО при наложении УЗ колебаний лежат акустические кавитационные явления в жидкости и предложена физическая модель циркуляции жидкости в межэлектродном промежутке при прошивке отверстий малого диаметра.
3. Экспериментально уточнено значение удельной эрозии для стали
12Х18Н10Т (kм = 610-3 мм3/Дж).
Практическая значимость работы заключается в разработке и обосновании технологических рекомендаций, технологических процессов, создании средств технологического оснащения, обеспечивающих проведение высокоэффективных операций электроэрозионной прошивки отверстий малого диаметра с наложением УЗ поля:
-
Разработаны, апробированы и переданы в производство технологические рекомендации по использованию результатов исследования для проектирования технологий электроэрозионной прошивки отверстий малого диаметра.
-
Разработана и апробирована технология прошивки массива из 580 отверстий диаметра 0,25 мм в детали «фильтр» из стали 12Х18Н10Т, обеспечивающая условно-годовой экономический эффект 0,86 млн. руб.
-
Для проведения операции ЭЭО с наложением УЗ колебаний разработаны, запатентованы и апробированы: способ обработки (патент РФ № 2522864),
оборудование (патент РФ № 153266), специальная оснастка (патенты РФ № 153054, № 150978, № 171568), специальный инструмент (патент РФ № 170108).
Достоверность результатов исследований и разработок обеспечивается научно обоснованной методологией теоретических исследований, применением апробированных методик и оборудования для экспериментальных исследований, оценкой точности отдельных измерений, преемственностью полученных результатов и их проверкой в цеховых условиях.
Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит в формулировании задач исследования, разработке общей методики проведения исследований, выполнении и анализе экспериментальных результатов, разработке и апробировании новых средств технологического оснащения, формулировании выводов.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы предложены и приняты к внедрению на предприятии ФГУП «НПО «Техномаш» в виде:
– технологических рекомендаций по проектированию операций электроэрозионной прошивки отверстий малого диаметра с наложением УЗ колебаний;
– разработанного, изготовленного и апробированного оборудования для прошивки отверстий с возможностью наложения УЗ колебаний.
На основании разработанных технологических рекомендаций для ГКНПЦ им. Н.В. Хруничева разработана технология прошивки массива из 580 отверстий с проходным сечением 0,25+0,05 мм.
Апробация работы. Отдельные результаты исследований и работа в целом докладывались и обсуждались на научных семинарах секции «Обработка материалов концентрированными потоками энергии» НТС ФГУП «НПО «Тех-номаш» и научных семинарах кафедры «Технологии и оборудование машиностроения» Московского политехнического университета в 2013-2017 г.
Промежуточные результаты работы докладывались на 62-й открытой
студенческой научно-технической конференции «СНТК МАМИ-2012» в
2012 г., ХХХII Всероссийской конференция по проблемам науки и технологии
«Наука и технологии» в 2012 г., Научно-технической конференции «Будущее
российской космонавтики в инновационных разработках молодых
специалистов» в 2013 г., 40-й и 41-й Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» в 2014, 2015 г.г., Международной конференции «Решетневские чтения» в 2014 г, XIX Конференции молодых учёных и студентов «Машиноведение и инновации» (МИКМУС - 2017) в 2017 г.
Публикации по теме диссертации. По материалам диссертации опубликованы 8 печатных работ, 3 из которых включены в перечень ВАК для опубликования материалов диссертационных работ, получено 6 патентов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 161 наименования и 6 приложений на 35 с. Работа содержит 74 рисунок, 28 таблиц и 211 страниц текста.
Проблемы и перспективы электроэрозионной обработки
Основная проблема развития ЭЭО отверстий малого диаметра связана с повышением производительности данной технологии. Эта проблема тесно связана с развитием представлений о процессах эвакуации продуктов эрозии из МЭП.
Частицы расплавленного металла, выброшенные в рабочую жидкость, затвердевают и вместе с пузырьками газа и продуктами термического разложения рабочей жидкости образуют многофазную среду. Форма твёрдых продуктов материала электродов близка к сферической, часто образуются полые сферы. С возрастанием энергии разряда средний радиус частиц увеличивается. Накопление в МЭП продуктов эрозии приводит к прохождению разрядов между электродами через продукты эрозии. В результате часть энергии разряда расходуется на диспергирование продуктов эрозии, что приводит к снижению производительности процесса. Накопление продуктов эрозии в МЭП приводит к нежелательному изменению свойств рабочей жидкости и к дестабилизации процесса. При касании электродом скопления металлических продуктов эрозии происходит короткое замыкание (КЗ) между электродами, на обрабатываемой поверхности образуются прижоги и увеличивается глубина дефектного слоя [58]. Для нормального протекания процесса электроэрозионной прошивки необходимо организовать эвакуацию продуктов эрозии из МЭП. Такая эвакуация осуществляется естественным и искусственным путями.
В первом случае эвакуация продуктов эрозии из МЭП является следствием гидромеханических процессов, сопутствующих разряду и осуществляется вытеснением рабочей среды газопаровым пузырём [59].
Если естественная эвакуация продуктов эрозии из МЭП недостаточна для стабильного протекания процесса, то применяют их искусственную эвакуацию различными способами. Широкое применение получили прокачка жидкости через тело ЭИ и вращение ЭИ вокруг своей оси.
Исследования влияния условий эвакуации продуктов разряда на технологические характеристики ЭЭО проведены и опубликованы в работах Б.Н. Золотых, Б.Р. Лазаренко, Н.И. Лазаренко, Н.К. Фотеева, М.К. Мицкевича, И.Г. Некрашевича, Б.И. Ставицкого, И.Б. Ставицкого, А.Г. Бойцова, О.Н. Кавтарадзе, Э.Т. Абдукаримова, А.К. Алтынбаева, А.Ф. Бойко, J.Kozak, K. Rajukar, G. Cusanelli, D. Kremer, B.H. Yan и др.
Так, Б.Н. Золотых подробно исследовал процессы естественной эвакуации продуктов эрозии в результате расширения газо-парового пузыря и выполнил оценку эффективности прокачки рабочей жидкости под давлением [60]. Им предложена модель свободного расширения сферического пузыря и выполнены оценки эффективности естественного механизма эвакуации. На основании одномерного уравнения Навье-Стокса получено расчётное выражение для оценки гидродинамических характеристик потока при прямой принудительной прокачке [61]. Однако в цитированных работах не рассматривались прочие возможные способы эвакуации продуктов разряда.
Исследования естественной эвакуации продуктов эрозии из МЭП продолжены А.Ф. Бойко [67]. Им установлено, что в основе физики естественной эвакуации лежат два встречно-параллельных потока: паро-газо-гидравлический эвакуирующий поток, генерируемый поднимающимися за счёт архимедовой силы пузырьками, и поток обновления, являющийся следствием первого потока в силу эффекта эжекции и диаметрально расположенный к нему. Экспериментально и теоретически показано, что эффективность естественной эвакуации возрастает с увеличением насыщенности эвакуационного потока паровыми пузырьками. Автором исследовался процесс прошивки прецизионных отверстий малого диаметра (менее 0,2 мм), с наложением на ЭИ вибрации с частотой 380 Гц и амплитудой до 10 мкм. Отмечается невозможность вращения и прокачки РЖ через тело ЭИ. Однако автором не рассматривался способ наложения УЗ колебаний на ЭИ, как средство искусственной эвакуации.
В работе И.Б. Ставицкого проанализированы различные способы повышения производительность ЭЭО прецизионных глубоких отверстий путём интенсификации выноса продуктов эрозии их МЭП [65]. Автором сделан вывод о предпочтительности использования прокачки РЖ через тело вращающегося ЭИ, как наиболее эффективного способа эвакуации [65]. Однако он отмечает трудности в использовании данного способа при прошивке отверстий диаметром менее 0,2...0,3 мм и при прошивке отверстий некруглого сечения. Предложена методика расчёта требуемой скорости РЖ на выходе из трубчатого ЭИ, необходимой для того, чтобы за время паузы между эрозионными импульсами полностью очистить МЭП от продуктов предыдущего эрозионного разряда.
Однако автором отмечаются большие давления на входе в ЭИ для обеспечения данной скорости. Сделано допущение о том, что при массовой концентрации не более 3% в МЭП продукты эрозии не оказывают существенного влияния на производительность процесса. Таким образом, показана взаимосвязь энергетических и гидродинамических параметров процесса. Представлена зависимость требуемой скорости РЖ на выходе из ЭИ от энергетических параметров процесса. Экспериментально получена зависимость, связывающая расход РЖ через тело ЭИ с его внутренним диаметром, длиной и давлением на входе. Однако при гидродинамических расчётах требуемого давления на входе в ЭИ автором не учитывались местные сопротивления, такие как: резкое сужение на входе в ЭИ, кольцевой поворот на 1800, а так же потери жидкости при течении через кольцевой канал (между ЭИ и деталью). Автором экспериментально показано, что вращение ЭИ не оказывает существенного влияния на вынос продуктов эрозии из МЭП, однако способствует быстрому прерыванию КЗ и импульсов разряда через газовые включения, тем самым повышая производительность процесса прошивки. Теоретическое объяснение данные результаты не получили.
А.В. Владыкиным [68] исследовалась взаимосвязь гидродинамических и электрических параметров процесса прошивки глубоких отверстий диаметром более 0,4 мм трубчатым ЭИ. На базе проведённых экспериментов предложена эмпирическая модель процесса ЭЭО полым ЭИ, отражающая вышеуказанную взаимосвязь. Теоретические расчёты течения РЖ через полый ЭИ в работе не проводились. Автором не рассматривались также и другие возможные способы эвакуации продуктов эрозии из МЭП.
Известны исследования Е.И. Пузачёвой и Т.А. Блиновой [69, 70], направленные на совершенствование и оптимизацию процесса электроэрозионной прошивки отверстий диаметром менее 0,2 мм по различным критериям (производительность, качество поверхностного слоя, износ ЭИ). Авторами отмечается необходимость искусственной эвакуации продуктов эрозии из МЭП, для чего используется наложение вибраций на ЭИ. В данных работах не рассмотрены другие возможные способы и не проведена их сравнительная характеристика.
Суммируя изложенное, можно заключить, что вынос продуктов эрозии из зоны обработки существенным образом влияет на протекание процесса электроэрозионного съёма материалы и для некоторых групп деталей данный вопрос является «открытым».
Конвективный массоперенос вращающимся электродом инструментом
При течении вязкой несжимаемой жидкости вблизи поверхности вращающегося жесткого диска уравнение Навье-Стокса допускает точное решение [111]. Такое решение получено Карманом и Когрэном в виде: где r - радиус диска, - угловая скорость его вращения, - плотность жидкости, - кинематическая вязкость, U, V, W соответственно радиальная азимутальная и осевая составляющая скорости жидкости, в координатной системе, показанной на которые вблизи поверхности диска могут быть представлены в виде степенных рядов:
Вид этих функций показан на Рис. 2.7, а их значения при различных табулированы [81,82].
Из Рис. 2.7 следует, что азимутальная составляющая скорости быстро снижается с увеличением расстояния от поверхности диска и при = 3,6 составляет всего 0,05 от своего значения на поверхности диска, поэтому слой жидкости толщиной S = 3,6 J (2.57) условно называют гидродинамическим пограничным слоем на диске.
В гидродинамическом пограничном слое жидкость тормозится и отбрасывается к периферии, а линии тока вблизи поверхности диска образуют семейство логарифмических спиралей.
Решение уравнения Навье-Стокса, описывающее движение жидкости в зазоре, одна из стенок которого - поверхность вращающегося диска, является достаточно сложным [82]. Поэтому рассмотрим частный случай приближённого решения, ограниченного двумя условиями:
- величина зазора aр превышает толщину гидродинамического пограничного слоя, рассчитанную по выражению (2.57), то есть aр ;
- осевой поток жидкости не слишком стеснён.
Эти условия приближенно выполняются при обработке отверстий по схемам, показанным на Рис. 2.8. Они позволяют использовать модель вращающегося диска в условиях малого межэлектродного зазора. Действительно, при aр течение жидкости в зазоре приближённо соответствует рассмотренному выше.
Наложим дополнительно два условия, ограничивающие применение представленной выше модели:
1.Условие безвихревого течения жидкости:
2. Условие интенсивного течения в торцевом зазоре ат.
Примем, что торцевой зазор изменяется в пределах 0,01…0,05 мм при прошивке отверстий диаметром 0,2…2 мм.
Решение уравнений (2.57 и 2.59) с учётом принятых выше ограничений запишем в виде:
На Рис. 2.9 показана область значений и г, в которой соблюдаются условия эффективной эвакуации (2.60 и 2.61). 0A 0,8
Анализ представленных данных позволяет заключить следующее. Эффективное использование ВДЭ в качестве инструмента при прошивке отверстий малого диаметра возможно, однако для этого требуется большая частота вращения ВДЭ, превышающая предел технических возможностей. Например, при прошивке отверстия 0,2 мм требуемая частота вращения ВДЭ составляет 3105 мин-1, что технически невозможно осуществить на базе существующих приводов. Кроме того, применение высокочастотных приводов требует высокого уровня точности центровки ВДЭ малого диаметра во избежание его изгиба под действием центробежных сил. Однако при прошивке отверстий диаметром более 0,6 мм требуемая частота лежит ниже предела технических возможностей, так, например, при прошивке отверстий диаметром 1 мм требуемая частота вращения ВДЭ лежит в пределах 36103...88103. Это согласуется с выводами, сделанными в работе И.Б. Ставицкого [65].
Таким образом, применение ВДЭ при прошивке отверстий диаметром менее 0,6…0,8 мм отверстий нецелесообразно. Применяемое в станках типа «супердрель» низкочастотное вращение ЭИ используется совместно с прокачкой РЖ через тело ЭИ для устранения керна и обеспечения равномерности износа рабочей части ЭИ.
Методика исследования влияния ультразвуковых колебаний на производительность электроэрозионной прошивки
Для исследования технологических характеристик ЭЭО проводили прошивку сквозных отверстий на станке ЭПП-8.
Предварительно проведена статистическая оценка достоверности результатов измерения времени прошивки на основании 50 прошитых отверстий при одинаковых параметрах режима обработки посредством ЭЭО и ЭЭОНУ. Отверстия прошивали латунным ЭИ 0,3 мм, при амплитудном напряжении U = 200 В, длительность импульса ти = 2,1 мкс. При оценке влияния УЗ поля использовали колебания с частотой 20 кГц и амплитудой 5… 10 мкм.
После оценки достоверности и воспроизводимости результатов экспериментов при прочих равных условиях прошивали отверстия латунными ЭИ 0,3… 1 мм на упомянутом выше оборудовании в диапазоне параметров режима обработки: напряжение обработки U = 200 В, длительность импульса ти = 0,4…3 мкс, частота следования импульсов / = 5 и 26 кГц. Отверстия прошивали на глубину h = 1…5 мм. Время прошивки фиксировали с помощью программных функций станка и проводили сравнительный анализ времени прошивки при ЭЭО и ЭЭОНУ
Для выявления количества рабочих импульсов при ЭЭО и ЭЭОНУ проведено осциллографирование процесса. Подключение осциллографа соответствует Рис. 3.6. Методика определения рабочих импульсов следующая.
Снимается осциллограмма импульсов холостого хода (ХХ), то есть при включённом источнике питания и разомкнутых электродах. Такая осциллограмма представлена на Рис. 3.12, а). Анализируя данную осциллограмму, можно обозначить верхний предел напряжения рабочих импульсов. Импульсы с амплитудой выше или равной значению верхнего предела считаем импульсами холостого хода.
При замыкании ЭИ и детали снимаем осциллограмму импульсов короткого замыкания (КЗ). При её анализе (Рис. 3.12, б) выявляем нижний предел напряжения. Импульсы ниже нижнего предела напряжения считаем импульсами короткого замыкания.
Таким образом, импульсы, лежащие между верхним и нижним пределами напряжений считаем рабочими импульсами. Пример осциллограммы процесса приведён на Рис. 3.13.
Анализируя Рис. 3.13, можно с учётом принятых выше допущений разделить импульсы на 3 группы ХХ, КЗ, рабочие импульсы. Результаты анализа сведены в Таблицу 9.
Осциллограммы, представленные на Рис. 3.13 и 3.14, получены при длительности эрозионного импульса 3 мкс, частоте следования импульсов 5 кГц и амплитудном напряжении 200 В. По данной методике при различных режимах прошивки отверстия снимали осциллограммы и анализировали их.
Подъём жидкости под действием кумулятивных микроструй
Авторами многочисленных работ [85, 92, 104, 105] доказано, что основным механизмом, способствующим поднятию жидкости в капиллярах, являются микротечения, образованные в результате схлопывания кавитаци-онных полостей.
Обсудим имеющиеся данные, касающиеся оценки характерных параметров процесса схлопывания кавитационных пузырьков.
1. Геометрические параметры кавитационных пузырьков.
При близких к нашим условиям (f = 26,5 кГц) в работе [106] проведён расчёт изменения радиуса кавитационного пузырька в соответствии с уравнением Релея-Плессета (Рис. 4.18). В правом верхнем углу рисунка укруп-ненно показана динамика кавитацонного пузырька вблизи момента схлопы-вания. Аналогичные расчёты, выполненные в работах [97, 101], позволяют судить о том, что значения минимального радиуса кавитационных пузырьков при схлопывании лежат в диапазоне 1...5 мкм. Принимая отношение Rmax/Rmin = 5…10 [99, 100], получаем, что размеры пузырьков соизмеримы с величиной бокового зазора (30…50 мкм) в случае электроэрозионной прошивки отверстий малого диаметра.
При схлопывании кавитационного пузырька наблюдается образование микротечений, вызванных кумулятивными струями [85, 91, 96, 100, 106, 107]. В подтверждение этому в работах [100, 150] представлены фотографии кави-тационных пузырьков с образовавшимися кумулятивными струями (Рис. 4.19).
Теоретические расчёты [91] показывают, что средняя скорость течения микроструй составляет 102… 103 м/с, а экспериментальные данные [96], полученные скоростной киносъёмкой движения стенки кавитационного пузыря в момент схлопывания, дают значения скорости течения 5102 м/с, то есть, согласуются с расчетными.
Длительность существования микроструй оценивается величиной 10-7...10-8 с [85, 96]. Струи имеют характерное утолщённое основание и экспоненциальную образующую, диаметр основания струи в 4…5 раз меньше диаметра пузырька, а диаметр головной части струи на порядок меньше диаметра кавитационного пузырька [94, 96] (Рис. 4.19). С учётом вышеизложенного, диаметр среднего сечения кумулятивной струи можно оценить величиной 0,2...2 мкм.
2. Жизненный цикл кавитационного пузырька, вероятность его появления и направление кумулятивных струй.
Авторы работ [105, 106] отмечают, что образование и схлопывание ка-витационных пузырьков является вероятностным процессом. Повышению вероятности появления кавитационных пузырьков в жидкости способствует наличиев ней зародышей кавитации (твердых, коллоидных и газообразных включений) [93, 97].
Наибольшая вероятность появления и роста пузырька соответствует фазе понижения давления, а вероятность схлопывания - фазе повышения давления [93, 95].
В работах [91, 104, 105, 108] установлено, что в случае капилляра, погружённого в жидкость, схлопывание кавитационных пузырьков приводит к однонаправленному течению жидкости вверх в виде струй с высокой скоростью, однако в нашем случае схлопывание кавитационного пузырька происходит в глухом торцевом канале, образованном боковым зазором. Расположение кавитационного пузырька между двумя твёрдыми стенками способствует возникновению кольцевой кумулятивной среды [91]. Однако, в [110, 111] отмечается, что кумулятивная струя наиболее вероятно направлена противоположно градиенту давления (в сторону движения потока жидкости). Таки образом, для нашего случая можно ожидать, что с наибольшей вероятностью кумулятивная струя будет направлена вниз по течению к «выходу» из кольцевого межэлектродного промежутка.
Выделим основные положения влияния кавитационного схлопывания пузырьков на гидродинамику течения РЖ в МЭП. В период понижения давления при достижении порога кавитации вблизи торца ЭИ формируется ка-витационное облачко из зародышей кавитации [99]. При схлопывании пузырьков в фазе повышения давления формируются микроструи, часть из них локализована в нижней части бокового зазора и направлена преимущественно вверх [108].
Эти микроструи играют следующую роль в рассматриваемом процессе:
- увеличивают среднюю скорость течения рабочей жидкости в рассматриваемой области капиллярного канала [91];
- за счет внутреннего трения увлекают за собой посторонние включения [92, 101] по направлению к выходу из МЭП;
- за счет гидромеханических сил измельчают (диспергируют) продукты эрозии [95];
- очищают устье и стенки канала от посторонних частиц [94];
Выполним оценку объёма обновлённой жидкости под торцем ЭИ под действием кумулятивных микроструй, основываясь на имеющихся данных.
Сделаем следующие допущения о числе кавитирующих пузырьков, генерирующих микроструи вниз по течению:
- полагаем, что исходная сферическая форма кавитационных пузырь ков при схлопывании соответствует величине бокового зазора (30 мкм);
- принимаем величину угла раскрытия «кавитационного сектора» = 200…600;
- учитывая высокую плотность зародышей кавитации в области формирования кавитационного кластера и полагая близкой к плотноупакованной структуру его слоя, примем во внимание кумулятивные струи, генерируемые двумя верхними рядами пузырьков (Рис. 4.20).
В нашем случае частота механических колебаний (20 кГц) в 4 раза выше частоты наложения разрядных импульсов (5 кГц). Это означает, что кави-тационная промывка и рассмотренные ранее модели промывки торцевого зазора продолжаются в течение четырех периодов колебаний.
Учитывая, что механизм эвакуации, обусловленный расширением газопарового пузыря, генерируемого разрядным импульсом, дополняет рассмотренный выше, можно считать, что выполненная оценка подтверждает правомерность выдвинутой ранее гипотезы о кавитационном механизме эффекта повышения производительности электроэрозионной прошивки отверстий при наложении УЗ поля.
Суммируя сделанные выше оценки, составим итоговую Таблицу 11 для анализа рассмотренных моделей влияния УЗ поля на производительность обработки.