Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

Коровин А.А., Смоленцев Е.В.

Воронежский государственный технический университет, Россия

Оптимизация гидравлических параметров прошивки глубоких отверстий электроэрозионным методом

В ходе совершенствования изделий высокотехнологичных отраслей машиностроения, таких как самолето- и вертолетостроение, ракетостроение и др., наблюдаются тенденции уменьшения диаметров различных функциональных отверстий (охлаждающие каналы лопаток, оболочек и других термонагруженных элементов, сопла форсунок и т.д.) при увеличении их количества и сохранении или увеличении глубины. Таким образом, отношение глубины обрабатываемого отверстия к его диаметру (L/d) возрастает, что представляет собой большую технологическую проблему. Стоит отметить, что в большинстве случаев рассматриваемые отверстия имеют малый диаметр (от 0,2 до 2 мм), и дальнейшее рассмотрение схем обработки будет производиться для данного диапазона размеров.

Зачастую рассматриваемые отверстия необходимо получать под углом к поверхности врезания инструмента, что значительно усложняет процесс их изготовления при использовании в качестве метода обработки сверления. Использование сверления также приводит к образованию заусенцев на входе и выходе сверла, что требует последующих операций обработки или вообще неприемлемо (например, при невозможности удаления заусенцев). Часто возникают поломки сверл из-за их малого диаметра, увод оси инструмента из-за его малой жесткости при относительно больших силах резания и т.д. Имеются проблемы с подачей смазочно-охлаждающей жидкости.

Опыт работы многих предприятий показывает, что данные отверстия зачастую целесообразно получать методами электроэрозионной обработки (ЭЭО). Однако применение данных методов при прошивке глубоких отверстий (L/d ≥ 5) связано с рядом проблем, важнейшей из которых является эвакуация продуктов обработки из зоны обработки.

В данной статье изложены исследования, которые проводились в рамках гранта Президента РФ для поддержки молодых ученых – кандидатов наук МК-283.2010.8.

В настоящее время используют несколько схем для прошивки цилиндрических отверстий методами ЭЭО в металлических деталях: 1) схема подвода рабочей жидкости поливом в зону обработки. Электроду-инструменту (ЭИ) при такой схеме может придаваться вращательное движение вокруг его оси, что положительно сказывается на качестве обработки, но практически не влияет на ее производительность. Cхема наиболее проста в реализации, однако, как показывает практика, производительность обработки начинает резко падать уже при отношении глубины получаемого отверстия к его диаметру более трех единиц (L/d ≥ 3) при диаметре получаемого отверстия до 2 мм; 2) схема обработки при вращающемся ЭИ со срезанными (или полученными другим способом) лысками и поливом рабочей жидкости в зону обработки. Как показывает практика, данная схема позволяет получать отверстия малого диаметра (до 2 мм) с отношением L/d ≤ 10 без значительного падения производительности. Однако при дальнейшем увеличении глубины отверстия производительность начинает падать; 3) схема обработки с вращением ЭИ вокруг собственной оси (что положительно сказывается на качестве обработки), так и без него. В качестве инструмента можно использовать трубки, которые серийно выпускаются промышленностью с наружным диаметром от 0,2 мм [1]. Данная схема сочетает в себе простоту реализации и относительно высокую эффективность; 4) схема обработки с вращающимся вокруг собственной оси ЭИ эллиптической формы (может применяться другая форма инструмента) с подачей рабочей жидкости через внутреннюю полость. ЭИ для данной схемы могут быть изготовлены из трубок круглого сечения путем их калибровки; схема с орбитальным движением ЭИ и подачей рабочей жидкости через внутреннюю полость. Реализация данной схемы обработки более сложна относительно ранее рассмотренных схем, однако она имеет некоторые преимущества, в числе которых возможность прошивания отверстий без образования так называемого керна [1], который зачастую недопустим, и т.д.; 5) схема с планетарным вращением ЭИ и подачей рабочей жидкости через внутреннюю полость ЭИ. Реализация данной схемы наиболее сложна, и, хотя она и имеет ряд преимуществ над схемой с орбитальным вращением ЭИ (в основном, связанных с повышением качества обработки), существенного увеличения глубины обработки при такой схеме не происходит.

Для стабильного протекания процессов ЭЭО необходимо обеспечение постоянства свойств рабочей жидкости в межэлектродном промежутке путем поддержания скорости ее протекания на уровне, достаточном для выноса продуктов обработки (материала обрабатываемой детали и продуктов износа электрода-инструмента). Задержка продуктов обработки в зоне обработки приводит к затратам энергии на повторное их расплавление [1], что снижает производительность обработки вплоть до ее остановки.

Определив по приведенным в работе [1] зависимостям и экспериментальным данным об износе ЭИ оптимальный расход рабочей среды, можно, используя расчеты и рабочие характеристики насоса, вычислить частоты вращения ротора его электродвигателя, позволяющие поддерживать необходимый расход рабочей среды в каждый момент времени обработки. Кроме оптимизации гидравлических параметров ЭЭО в каждый момент времени, это может позволить снизить общее энергопотребление насоса, что позволит снизить затраты, особенно в условиях массового производства.

Литература:

1. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: Учеб. пособие (в 2-х томах.). Т.Ι. Обработка материалов с применением инструмента/ Под ред. В.П. Смоленцева. – М.: Высш. шк., 1983.-208 с., ил.

2. Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем. С.-Пб, АНО НПО «Мир и семья», 2001. 1154 с., илл.