Гідродинаміка та гідроавтоматика в умовах розмірної обробки металів електричною дугою

ГІДРОДИНАМІКА ТА ГІДРОАВТОМАТИКА В УМОВАХ РОЗМІРНОЇ ОБРОБКИ МЕТАЛІВ ЕЛЕКТРИЧНОЮ ДУГОЮ

В.І. Носуленко, д-р.техн.наук; О.С. Чумаченко, канд.техн.наук

Кіровоградський державний технічний університет

Металообробка подана, як відомо, процесами обробки різанням і тиском та різноманітними процесами фізико-технічної обробки. Серед останніх найбільшого поширення набули процеси електроерозійної обробки, що засновані на використанні перетвореної в тепло енергії електричних розрядів різних електричних параметрів і тривалості. Це плазмова обробка металів, традиційна електроерозійна обробка та розмірна обробка електричною дугою (РОД). Ці процеси в своїй сукупності, доповнюючи один одного, за своїми технологічними можливостями і економічною ефективністю уже на сьогодні складають високоефективну альтернативу процесам обробки різанням і тиском і тому отримують все більше практичне застосування взамін останніх.

Це пов'язано, перш за все, з появою і розвитком процесу РОД [1]. Бо саме в умовах РОД реалізовано якісно новий “інструмент” обробки, якісно нове джерело тепла - електричну дугу, яка дозволяє, з одного боку, ввести в зону обробки практично будь-які потужності від найменших до найбільших, а отже, і забезпечити будь-яку практично доцільну продуктивність, а з іншого боку, енергетичні характеристики такої дуги регулюються легко, плавно і в широких межах, забезпечуючи обробку в широкому діапазоні режимів, починаючи від грубого розмірного плавлення і навіть до тонкого розмірного випаровування - і це не залежить від сили струму. В умовах інших процесів електророзрядної обробки реалізувати це неможливо. Щоб зрозуміти це, розглянемо фізичну модель процесу РОД.

В умовах РОД як енергетичні характеристики дуги (напруженість електричного поля, густина струму і т.ін.), так і технологічні характеристики процесу (продуктивність, шорсткість обробленої поверхні і т.ін.) для заданих умов (матеріал електродів, склад робочої рідини і т. ін.) однозначно описуються рівнянням:

, (1)

де відповідний енергетичний чи технологічний параметр (продуктивність, шорсткість, глибина зони термічного впливу, величина зазору та інше);

сила струму (кількісний показник процесу, так, наприклад, продуктивність збільшується прямо пропорційно силі струму);

- динамічний тиск потоку (якісний показник процесу, визначає можливість і якісні характеристики процесу, наприклад, зону термічного впливу);

і показники ступеня впливу та на відповідний технологічний параметр.

Отже, в умовах РОД можливість і якісні характеристики процесу обробки визначається, перш за все, динамічним тиском потоку робочої рідини в зоні обробки .У свою чергу, є функцією статичного тиску робочої рідини на вході в міжелектродний зазор (МЕЗ) і згідно з рівнянням Бернуллі для перерізів І-І входу в МЕЗ і ІІ-ІІ - виходу із МЕЗ динамічний тиск потоку робочої рідини на виході із зазору (а отже, опосередковано в довільній точці зони обробки) визначають за формулою [2]:

, (2)

де статичний тиск робочої рідини, Па;

швидкість потоку на виході із зазору (в кінці траси), м/с;

площа поперечного перерізу щілини на виході із зазору, м²;

коефіцієнт опору на довжині відповідної траси;

довжина відповідної траси, м;

гідравлічний діаметр кільцевого зазору, , м;

однобічний МЕЗ, м;

коефіцієнт місцевого опору, пропорційний (вхід у зазор, поворот, вихід);

розгортка лінії (еквідистанти) рівного гідравлічного опору, на якій розміщена задана точка ;

зазор відповідно в точках ;

- коефіцієнт втрат тиску (коефіцієнт опору зазору, що враховує втрати в місцевих опорах і по довжині).

У даному виразі всі параметри, окрім і (МЕЗ), є заданими. Коефіцієнт є функцією числа Рейнольдса та особливостей режиму течії рідини. Встановлено, що в умовах РОД має місце перехідний режим течії робочої рідини [3]. Отже, може бути розрахованим. МЕЗ підлягає визначенню. При цьому треба враховувати таке.

Для реального процесу обробки оптимальним є мінімально можливий зазор за умов сталого процесу згідно з осцилограмами сили струму і напруги при мінімально можливій напрузі дуги. Це забезпечують системою автоматичної подачі електрода-інструмента (ЕІ), побудованою за принципом зворотного зв'язку по напрузі дуги. При цьому саморегулюванню зазору, а отже, стабільності процесу (і це є позитивним) сприяє та обставина, що стаціонарну дугу реалізують в умовах саморегулювання зазору за рахунок зовнішньої спадної характеристики джерела живлення дуги електричним струмом.

Окрім того, треба прийняти до уваги, що на величину МЕЗ () та на стабільність процесу значно впливає тиск робочої рідини на систему “верстат-пристрій-інструмент-деталь” (ВПІД). Це є особливою проблемою, яка вимагає оптимального вирішення і тому потребує відповідного аналізу. Розглянемо ці особливості процесу стосовно технологічної схеми формоутворення за принципом прошивання з об'ємним копіюванням форми ЕІ, що має на цей час найбільш широке практичне застосування та дає узагальнену уяву про це в умовах процесу РОД. За цих умов можна виділити такі основні схеми навантаження системи ВПІД:

Площа плану оброблюваної поверхні менша від площі поперечного перерізу штока (рис. 1а), тобто .

(рис. 1б). Рівність є окремим випадком вищезазначених схем.

У кожній із зазначених схем має місце силова дія (тиск) робочої рідини у вигляді рівномірно розподіленого навантаження на заготовку (ЕЗ), ЕІ, шток, герметизуючу камеру і в кінцевому підсумку на стіл і станину.

Епюри тисків робочої рідини на поданих схемах показані там, де це потрібно для подальших розрахунків. При цьому в МЕЗ тиск робочої рідини в напрямку від периферії до центра ЕІ вважають змінним за лінійним законом від статичного тиску p робочої рідини в герметизованій камері до атмосферного, що з деякими припущеннями відповідає експериментальним даним.

Оцінимо зусилля на елементи системи ВПІД у напрямку подачі ЕІ.

Зусилля на заготовку

,

де - тиск робочої рідини в камері,Па;

- площа поперечного перерізу герметизуючої камери,м²;

- площа плану оброблюваної поверхні,м².

Після перетворення отримаємо

. (3)

Тиск робочої рідини при реалізації процесу близько 1 МПа. Отже, зусилля на заготовку можуть бути значними і при малій жорсткості останньої можуть її деформувати.

Зазначимо, що для зменшення силової дії на заготовку потрібно зменшувати площу поперечного перерізу герметизуючої камери.

Зусилля на герметизуючу камеру

. (4)

Зусилля притискання камери . Тому необхідно прагнути, щоб ці зусилля були по можливості мінімальними. Для цього необхідно зменшити площу поперечного перерізу герметизуючої камери до значення, наближеного до .

Зусилля на ЕІ при та

. (5)

Зусилля на ЕІ при

.

Після перетворення отримаємо

. (6)

При цьому зусилля, яке діє на заплечики ЕІ, вигинаючи їх:

, (7)

де - площа заплечиків, м².

Рисунок 1 - Розрахункові схеми навантаження системи ВПІД тиском робочої рідини

Щоб запобігти руйнуванню заплечиків, необхідно передбачити їх безпосереднє кріплення до електродотримача.

Зусилля на штоці при

.

Після перетворення отримаємо

. (8)

Зусилля на штоці при

. (9)

Зусилля на штоці при відповідає зусиллю на ЕІ:

.

У цьому випадку зусилля на штоці може бути рівним нулю при

. (10)

Звідки . Або .

При цьому зусилля замикається на ЕІ та електродотримач і не передається на шток.

Проте за реальних умов площа обробки не відповідає такому співвідношенню, і зусилля на шток від дії робочої рідини, які до того ж у процесі обробки змінюються не тільки в широкому діапазоні, але і за напрямком, можуть досягати десятків кілоньютонів. Відповідним чином, за цих умов повинна спрацьовувати і система автоматичної подачі (САП) ЕІ, що робить її складною і просто ірраціональною. Тому ця проблема вимагає відповідного вирішення. У зв'язку з цим нами запропоновано зрівноваження зусилля на штоці від дії робочої рідини за рахунок створення відповідної системи протитиску. При цьому оптимальним на цей час можна вважати таке технічне рішення.

Для розвантаження приводу подачі ЕІ від осьових зусиль на шток, які є результатом тиску робочої рідини в камері на електрод і шток, верстат обладнано двобічним гідроприводом протитиску (рис.2), поршень 11 якого механічно з'єднують зі штоком 2, а циліндр 12 з'єднують з трубопроводом 16 робочої рідини через регулятор тиску 14 і кран керування 15. При цьому робоча площа поршня, що являє собою різницю між площами поперечних перерізів поршня 11 і штока 2, при зворотньому прокачуванні дорівнює площі поперечного перерізу штока за умови, що максимальна площа обробки в плані не перевищує чотирьох площ поперечного перерізу штока. Якщо ж остання умова не виконується, то робоча площа поршня визначається розрахунком. Тоді при прямому прокачуванні завжди, а при зворотньому прокачуванні за умови, що площа обробки в плані менша двох площ поперечного перерізу штока, верхня порожнина гідропривода 12 з'єднана через регулятор тиску 14 і кран керування 15 з напірним трубопроводом 16 робочої рідини. При зворотньому прокачуванні при площі обробки в плані більше двох площ поперечного перерізу штока нижня порожнина гідропривода з'єднана через регулятор тиску 14 і кран керування 15 з напірним трубопроводом 16 робочої рідини.

При зміні площі обробки змінюється зусилля на шток 2 від тиску робочої рідини в камері на електрод 3 зверху і знизу. Тому зусиля на поршень 11 гідропривода протитиску змінюється регулятором тиску 14. Потрібні значення тиску робочої рідини розраховуються в функції площі обробки в плані. За результатами цих розрахунків складається таблиця або будується графік, які надалі використовуються при реалізації конкретних технологій.

Проте найбільш доцільним є використання регулятора тиску з автоматичним керуванням в функції напруги на дузі, що перетворює запропоновану систему протитиску в САП ЕІ. Покажемо це.

Типова осцилограма напруги , сили струму , тиску і витрати робочої рідини в умовах РОД (рис. 3) показує, що він являє собою стохастичний процес з відповідним детермінізмом, коли в часі змінюються всі параметри процесу без винятку. При цьому тиск робочої рідини в зоні обробки коливається в значних межах, але залишається достатньо визначеним за його середнім значенням, що дозволяє використати його при розрахунках за формулами (1-6).

Особливістю процесу є те, що тиск робочої рідини на шток є функцією торцевого зазору (згідно з законом Бернуллі), і оскільки протягом процесу змінюється, то змінюється і зусилля від дії робочої рідини. При цьому зі збільшенням зусилля на штоці зменшується і збільшується при зменшенні . Внаслідок цього шток перебуває в стані рухомої рівноваги і згідно з принципом Ле-Шательє відбувається саморегулювання в функції зворотнього зв'язку по тиску робочої рідини, що сприяє стабільності процесу, а отже, оптимізує САП ЕІ. Аналогічно в умовах РОД відбувається саморегулювання також бічних МЕЗ (рис. 1). Окрім того, як зазначалось, саморегулювання зазору відбувається також за рахунок зовнішньої характеристики джерела живлення дуги електричним струмом. У цілому це стабілізує процес та створює передумови використання описаної системи протитиску як виконавчого механізму САП ЕІ.

Рисунок 3 - Осцилограма процесу РОД: Р - тиск робочої рідини; Q - витрата робочої рідини; I - сила струму; U - напруга дуги

Висновки

1 В умовах РОД можливість і якісні характеристики процесу обробки визначаються, перш за все, динамічним тиском потоку рідини в зоні обробки, для визначення якого, в свою чергу, необхідно визначити режим течії робочої рідини та МЕЗ . Установлено, що в умовах РОД має місце перехідний режим течії робочої рідини. МЕЗ, а отже, і стабільність процесу визначаються дією робочої рідини на систему ВПІД, що є проблемою і вимагає відповідних технічних рішень.

2 Запропоновано для розвантаження приводу подачі ЕІ від осьових зусиль на шток, які є результатом тиску робочої рідини на ЕІ та шток, застосовувати двобічний гідропривод протитиску.

3 Установлено в умовах РОД невідоме раніше явище саморегулювання МЕЗ в функції зворотнього зв'язку по тиску робочої рідини, що сприяє стабільності процесу, а отже оптимізує роботу САП ЕІ.

4 Запропоновано використовувати розроблену систему протитиску як систему автоматичної подачі ЕІ.

SUMMARY

For unloading a coordinate drive system of the electrode-instrument from axial efforts to a rod, which occur as a result of pressure of a hydraulic fluid in the chamber on an electrode and rod, it is offered to equilibrate efforts on a rod of machine tools for arc dimensional machining with the help of a two-sided hydraulic drive of a backpressure. The phenomenon of a self-regulation of a clearance in function of a closed loop on pressure of a hydraulic fluid is established for conditions arc dimensional machining unknown earlier. It promotes stability of process and optimizes operation of system of selffeeding.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Носуленко В.І. Розмірна обробка металів електричною дугою: Автореф. Дис...д-ра техн. наук: 05.03.07 / Кіровоградський держ. техн. ун-т. - К., 1999. - 36 с.

2. Чумаченко О.С. Розмірна обробка електричною дугою листових деталей: Автореф. дис… канд. техн. наук: 05.03.07 / Кіровоградський держ. техн. ун-т. - К., 2002. - 20 с.

3. Чумаченко О.С. Особливості гідродинаміки в умовах розмірної обробки металів електричною дугою: Збірник наукових праць КДТУ. - Кіровоград: КДТУ, 2003. Вип.13. - С. 275-281.