Способ электроконтактной обработки металлических материалов

Изобретение может быть использовано для обработки, в частности, резки заготовок из токопроводящих материалов вращающимся дисковым электродом-инструментом. Инструменту сообщают движение подачи к обрабатываемой детали. Окружную скорость дискового электрода-инструмента задают в диапазоне 100-120 м/с. При этом усилие подачи выбирают не более суммы критического усилия на электрод-инструмент и центростремительной силы. Способ позволяет снизить износ дискового электрода-инструмента примерно в 10 раз по сравнению с прототипом и сократить энергозатраты в 1,5-2 раза при сохранении производительности резки. 1 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к электрическим методам обработки, и может быть использовано в машиностроении для обработки и резки заготовок из токопроводящих материалов.

Известны способы электроконтактной резки, осуществляемые вращающимся дисковым электродом-инструментом [Технология изготовления деталей машин. Т.III - 3, / А.М.Дальский, А.Г.Суслов, Ю.Ф.Назаров и др; Под общ. ред. А.Г.Суслова, 2000, с.267-269]. Электроконтактная обработка - вид обработки, при которой на заготовку оказывается одновременно механическое, тепловое и электрическое воздействие путем непосредственного контакта быстровращающегося электрода-инструмента с заготовкой при подводе в зону контакта электрического тока большой плотности. Дисковые электроды-инструменты для электроконтактной обработки изготавливают из стальных или алюминиевых листов. Окружная скорость электрода-инструмента при электроконтактной обработке может доходить до 80 м/с, рабочее напряжение U=20-50 B, давление электрода-инструмента на заготовку 0,45 Н/мм². Недостатком такого способа является значительный износ дискового электрода-инструмента - 30% от объема удаляемого материала. Другой недостаток - высокая энергоемкость, которая составляет 1-2 кВт·ч/кг.

Известно, что увеличение скорости вращения электрода-инструмента более 30 м/с с целью уменьшения износа неэффективно [Валяев А.Н., Зайцев В.А., Карецкий Ю.Н. Расчет температурного поля диска-инструмента при электроконтакной обработке металлов. / Комбинированные электроэрозионно-электрохимические методы размерной обработки металлов. Тезисы докладов. Уфа, 1983, с.38-39].

Известно, что с целью уменьшения энергии на снятие единицы объема металла обрабатываемую деталь вращают [Каморкин А.Н., Русев М.К. Расчет температурного поля детали при получистовой электроконтакной обработке. /Комбинированные электроэрозионно-электрохимические методы размерной обработки металлов. Тезисы докладов. Уфа, 1983, с.41]. Недостаток данного способа - усложнение оборудования, возможность использования только для обработки круглых деталей.

Существует способ электрофрикционной обработки, принятый за прототип. [Веселовский А.П., Фролов В.Я., Донской А.В. Электродугоконтактная резка металлов. - С.-Петербург: Энергоатомиздат, 1993, с.14-15]. При электрофрикционной обработке значительная часть выделяемой в зоне обработки энергии обусловлена механическими факторами - трением и пластической деформацией. Для прототипа характерны использование низкого напряжения на электродах (до 12 В), окружной скорости дискового электрода-инструмента 30-80 м/с, наличие значительного давления между электродом-инструментом и обрабатываемым изделием до 11 Н/мм². Электрофрикционная обработка заготовок больших сечений требует значительной мощности привода главного движения и повышенной виброустойчивости станка. Недостатками прототипа являются значительный износ дискового электрода-инструмента (до 30%) и высокая энергоемкость из-за высокого давления.

Задача изобретения - снижение энергоемкости и износа дискового электрода-инструмента при неизменной производительности процесса.

Поставленная задача решена тем, что в известном способе электроконтактной обработки деталей вращающимся дисковым электродом-инструментом, которому сообщают движение подачи к обрабатываемой детали, окружную скорость дискового электрода-инструмента задают в диапазоне 100-120 м/с, а усилие подачи определяют по формуле

P_подачи≤Р_кр+Р_ц.ст,

где Р_кр - критическое усилие на электрод-инструмент, Н;

Р_ц.ст - центростремительная сила, Н.

На представленном чертеже изображена схема разрезания заготовки дисковым электродом-инструментом, где 1 - дисковый электрод-инструмент, 2 - заготовка в виде трубы.

Пример конкретного применения приведен для резки трубы из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, диаметром 18 мм, толщиной стенки 1,7 мм.

Рабочее напряжение 18 В, величина рабочего тока 130 А, скорость вращения дискового электрода-инструмента 11 м/с, время резки 1 с. Мощность привода 0,5 кВт; площадь поперечного сечения разрезаемого изделия 87,1 мм², коэффициент трения 0,15. Дисковый электрод-инструмент имеет радиусы R=75 мм, r=12 мм, толщину 1 мм. Ширина реза 2,1 мм, длина контакта дискового электрода-инструмента с заготовкой 3,5 мм. Угол охвата разрезаемой трубы электродом-инструментом ∂ϕ - 0,047 рад.

Усилие подачи определяем из выражения

P_подачи≤Р_кр+Р_ц.ст.

Критическое усилие на электрод-инструмент Р_кр определяем по формуле Эйлера [Степин П.А. Сопротивление материалов: Учебник для вузов - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1979, с.234];

где Е - модуль продольной упругости материала (модуль Юнга), Н/м²;

J - минимальный осевой момент инерции поперечного сечения дискового электрода инструмента, м⁴;

R - радиус дискового электрода-инструмента, м.

Минимальный осевой момент рассчитываем по известной формуле [Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. T.1. - 8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И.Н.Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001, с.42]:

где b - толщина дискового электрода-инструмента, м;

l - длина контакта дискового электрода-инструмента с заготовкой, м.

Центростремительная сила, Р_ц.ст определяется из известного выражения [Коршунов Б.С. Электроабразивные и электролитические способы обработки труднообрабатываемых материалов. - М.: Машиностроение, 1969, с.63]:

Р_ц.с=γ·b·ω²·r²·∂ϕ·∂r,

где γ - плотность материала дискового электрода-инструмента, кг/м³;

ω - угловая скорость вращения электрода-инструмента, с^-1;

r - внутренний радиус дискового электрода-инструмента, м;

∂ϕ - угол охвата заготовки электродом-инструментом, рад;

∂r - разность между внешним и внутренним радиусами дискового электрода-инструмента, м.

Подставив конкретные значения, рассчитаем усилие подачи, необходимое для разрезания трубы.

Осевой момент инерции

Критическое усилие

Центростремительная сила

Расчетное усилие подачи:

Р_подачи≤26,2+8,3≤34,5 (Н).

Усилие подачи задаем 30 Н, тогда давление электрода-инструмента на разрезаемую деталь составит 4 Н/мм².

(b - ширина реза, l_конт - длина контакта дискового электрода-инструмента с заготовкой).

Для того, чтобы оценить преимущества предлагаемого способа, определим энергоемкость (W) и потребляемую мощность (Р_пот), необходимые для его осуществления.

Потребляемую мощность рассчитаем по формуле [Переходные процессы при электроконтактной резке. Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика. Сб. научных трудов. /Под ред. В.В.Стацуры. - Красноярск, 2004 г.]

Р_пот=Р_э+Р_n+Р_m

где P_э - электрическая мощность, подводимая в зону обработки, Вт;

Р_n - мощность привода, Вт;

P_m - мощность, затрачиваемая на преодоление трения, Вт.

P_э=U·I,

где U - рабочее напряжение между дисковым электродом-инструментом и заготовкой. В;

I - величина рабочего тока, А.

P_m=k·Р_подачи·g

где k - коэффициент трения;

g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с².

P_э=18·130=2340 Вт=2,34 кВт;

P_m=0,15·30·9,81≈44,1 Вт=0,44 кВт;

Р_пот=2,34+0,50+0,44≈3,28 кВт.

Энергоемкость рассчитаем по формуле [Переходные процессы при электроконтактной резке. Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика. Сб. научных трудов. /Под ред. В.В.Стацуры. - Красноярск, 2004 г.]

где Р_пот - потребляемая мощность, Вт;

t - время обработки, с;

m - масса удаленного металла, кг.

m=ρ·V,

где ρ - плотность стали 12Х18Н10Т, ρ=7900кг/м³;

V - объем удаленного металла, м³.

V=b·S,

где b - ширина реза, м;

S - площадь поперечного сечения разрезаемого изделия.

V=2,1·87,1=182,91 мм³≈0,183·10^-6 м³;

m=7900·0,183·10^-6≈1,446·10^-3 кг.

Энергоемкость процесса:

Приведенные расчеты показывают, что вклад механической составляющей при резке стальной трубы на порядок меньше вклада электрической составляющей.

Уменьшение окружной скорости дискового электрода-инструмента ниже 100 м/с приводит к увеличению энергозатрат. Повышение окружной скорости дискового электрода-инструмента свыше 120 м/с практически не влияет на энергозатраты и износ дискового электрода-инструмента.

В процессе резки износ дискового электрода-инструмента составляет менее 3%, от объема удаленного металла, это в 10 раз меньше, чем в прототипе. При этом энергозатраты составляют всего 0,63 кВт·ч/кг, что в 1,5-2 раза меньше, чем в известных способах электроконтактной обработки.

Способ электроконтактной обработки деталей вращающимся дисковым электродом-инструментом, которому сообщают движение подачи к обрабатываемой детали, отличающийся тем, что окружную скорость дискового электрода-инструмента задают в диапазоне 100-120 м/с, а усилие подачи определяют по выражению

P_подачи≤P_кр+P_ц.ст,

где Р_кр - критическое усилие на электрод-инструмент, определяемое по формуле Эйлера, Н;

Р_ц.ст - центростремительная сила, Н.