RU2522864C2

RU2522864C2 - Spark-erosion piercing of holes

Info

Publication number: RU2522864C2
Application number: RU2012128160/02A
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Груздев; Евгений Александрович Митрюшин; Юрий Алексеевич Моргунов; Борис Петрович Саушкин; Анатолий Андреевич Перепечкин; Артем Игоревич Опальницкий
Original assignee: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Объединение "Техномаш"
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-07-20
Also published as: RU2012128160A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates spark-erosion processing and can be used for spark-erosion piercing of small-diameter of a wide range of parts, for example, fuel nozzles. In compliance with this invention, ultrasound oscillations are applied to electrode in coordination with operating voltage pulse feed. Note here that operating voltage pulse feed is timed with the phase of approach of electrodes according to the relationship φ=2πƒt+kπ, where ƒ is ultrasound oscillation feed frequency, t is time, s, l<k<1.5. Note here that said electric pulse feed frequency ƒ_e is varied discretely as electrode penetrates into workpiece. Note also that said frequency of ultrasound oscillations makes 18-88 kHz while amplitude equals 5-30 mcm.

EFFECT: stable process, higher surface quality.

3 dwg

Description

Изобретение относится к электроэрозионной обработке и может быть использовано для электроэрозионной прошивки прецизионных отверстий малого диаметра широкой номенклатуры деталей, например, топливных форсунок.The invention relates to electrical discharge machining and can be used for electrical discharge erosion of precision holes of small diameter of a wide range of parts, for example, fuel injectors.

Известен способ электроэрозионной обработки, согласно которому обрабатываемую деталь устанавливают на столе станка, а электрод -инструмент крепят к концентратору магнитострикционного преобразователя, в корпусе которого предусмотрены штуцера для подвода рабочей среды, охлаждающей рабочий пакет магнитострикционного преобразователя. Корпус магнитостриктора устанавливают на шпинделе станка. После включения источника технологического напряжения, ультразвукового генератора и сближения электрода - инструмента с деталью начинается процесс обработки, при этом момент подачи импульса рабочего напряжения согласуется с периодом ультразвуковых колебаний устройством синхронизации (см. патент РФ №2104833, кл. В23Н 7/38, 1998 г.). A known method of electrical discharge machining, according to which the workpiece is mounted on the table of the machine, and the electrode tool is attached to the hub of the magnetostrictive transducer, in the housing of which there are fittings for supplying a working medium cooling the working package of the magnetostrictive transducer. The magnetostrictor case is mounted on the spindle of the machine. After turning on the source of the process voltage, the ultrasonic generator and the proximity of the electrode - the tool with the part, the processing begins, while the moment of supply of the operating voltage pulse is consistent with the period of ultrasonic vibrations by the synchronization device (see RF patent No. 2104833, class B23H 7/38, 1998 .).

Недостатком известного способа является невозможность обеспечения промывки межэлектродного зазора после каждого единичного импульса рабочего напряжения, что приводит к необходимости дополнительного разведения электродов для осуществления импульсной прокачки насосом высокого давления и, как следствие, к снижению производительности и точности обработки.The disadvantage of this method is the impossibility of washing the interelectrode gap after each single pulse of the operating voltage, which leads to the need for additional dilution of the electrodes for pulse pumping by a high pressure pump and, as a result, to a decrease in productivity and processing accuracy.

Известен способ электроэрозионно-химической обработки, осуществляемой в проточном электролите, при котором для повышения точности обработки на электроды накладывают ультразвуковые колебания и подают импульсы рабочего напряжения с уменьшенной амплитудой и с длительностью больше периода ультразвуковых колебаний (см. авт. св. СССР №1148737, МКИ В23Н 5/02, 1989 г.).A known method of electroerosive-chemical treatment carried out in a flowing electrolyte, in which to increase the accuracy of the processing, ultrasonic vibrations are applied to the electrodes and operating voltage pulses with a reduced amplitude and with a duration greater than the period of ultrasonic vibrations are applied (see ed. St. USSR No. 1148737, MKI B23H 5/02, 1989).

Недостатком известного способа является случайный характер пробоя межэлектродного зазора по отношению к положению электродов за период ультразвуковых колебаний, что приводит к возникновению короткого замыкания, прижогу обрабатываемой поверхности детали, а следовательно, к снижению качества и производительности обработки.The disadvantage of this method is the random nature of the breakdown of the interelectrode gap with respect to the position of the electrodes during the period of ultrasonic vibrations, which leads to a short circuit, burning of the treated surface of the part, and therefore to a decrease in the quality and productivity of processing.

Наиболее близким техническим решением к заявленному способу является способ электроэрозионной обработки импульсами технологического тока с наложением ультразвуковых колебаний на рабочую зону, причем ультразвуковые колебания подают после прохождения импульса с периодом посылок, равным периоду следования импульсов технологического тока в течение заданного времени (см. авт.св. СССР №666021, В23Н 7/38, 1979 г.).The closest technical solution to the claimed method is a method of electrical discharge machining by technological current pulses with superimposed ultrasonic vibrations on the working area, moreover, ultrasonic vibrations are fed after the pulse has passed with a sending period equal to the period of the technological current pulses for a specified time (see ed. USSR No. 666021, B23H 7/38, 1979).

В результате анализа известного способа необходимо отметить, что приведенный в нем порядок чередования импульсов технологического тока и ультразвуковых колебаний не обеспечивает существенного улучшения эвакуации продуктов эрозии, т.к. для эффективного выноса продуктов обработки необходимо подавать ультразвуковые колебания совместно с электрическими импульсами, что приводит к снижению качества и производительности обработки.As a result of the analysis of the known method, it should be noted that the order of alternating technological current pulses and ultrasonic vibrations given therein does not provide a significant improvement in the evacuation of erosion products, because for effective removal of the processed products, it is necessary to apply ultrasonic vibrations together with electric pulses, which leads to a decrease in the quality and productivity of processing.

Приведенные выше решения могут быть использованы для прошивки отверстий.The above solutions can be used for flashing holes.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение производительности электроэрозионной прошивки отверстий, улучшение качества обработанной поверхности, уменьшение износа электрода-инструмента, а также обеспечения стабильного протекания процесса прошивки.The technical result of the present invention is to increase the productivity of electroerosive piercing of holes, improving the quality of the machined surface, reducing wear of the electrode tool, as well as ensuring a stable course of the firmware process.

Указанный технический результат обеспечивается способом электроэрозионной прошивки отверстий, включающим наложение на электрод ультразвуковых колебаний, согласованных с подачей импульсов рабочего напряжения, отличающимся тем, что подачу импульсов рабочего напряжения синхронизируют с фазой сближения электродов по зависимости φ=2πƒt+kπ, где ƒ - частота подачи ультразвуковых колебаний, t - время, с, l<k<1,5, а частоту подачи электрических импульсов ƒ_э дискретно изменяют по мере углубления электрода в заготовку, причем частота подачи ультразвуковых колебаний составляет 18-88 кГц, а амплитуда - 5-30 мкм.The specified technical result is provided by the method erosion piercing of holes, including the imposition of ultrasonic vibrations on the electrode, consistent with the supply of operating voltage pulses, characterized in that the supply of operating voltage pulses is synchronized with the electrode approach phase according to the dependence φ = 2πƒt + kπ, where ƒ is the frequency of ultrasonic vibrations, t-time, s, l <k <1.5, and the frequency of electric pulses ƒ_uh discrete change as the electrode deepens into the workpiece, and the frequency of ultrasonic vibrations is 18-88 kHz, and the amplitude is 5-30 microns.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:The essence of the claimed invention is illustrated by graphic materials on which:

- на фиг.1 - график зависимости амплитуды и напряжения от времени в момент наибольшего сближения электрода и обрабатываемой поверхности;- figure 1 is a graph of the dependence of the amplitude and voltage on time at the time of closest approximation of the electrode and the treated surface;

- на фиг.2 - график зависимости амплитуды и напряжения от времени в момент отвода инструмента;- figure 2 is a graph of the amplitude and voltage versus time at the time of removal of the tool;

- на фиг.3 - схема устройства для реализации способа.- figure 3 is a diagram of a device for implementing the method.

Устройство для реализации способа содержит магнитострикционный преобразователь 1, имеющий возможность соединения с источником питания и связанный посредством волновода 2 с ванной 3, в которой размещают подлежащую обработке заготовку и заполняют электролитом. Электрод-инструмент (ЭИ) обозначен позицией 4. Устройство оснащено устройством синхронизации, обеспечивающим синхронизацию рабочего импульса напряжения и фазу ультразвуковых колебаний.A device for implementing the method comprises a magnetostrictive transducer 1, which is capable of being connected to a power source and connected by a waveguide 2 to a bath 3, in which the workpiece to be processed is placed and filled with electrolyte. The electrode tool (EI) is indicated by the position 4. The device is equipped with a synchronization device that provides synchronization of the working voltage pulse and the phase of ultrasonic vibrations.

Для осуществления прошивки отверстий в ванне 3 в зажимном приспособлении закрепляют подлежащую обработке (прошивке) деталь, заполняют ванну электролитом, ЭИ 4 подводят к обрабатываемой детали, включают источник питания 5. При наложении достаточно высокого напряжения от внешнего источника питания происходит электрический пробой межэлектродного промежутка (МЭП) с образованием канала разряда, окруженного газовым пузырем. При преобразовании электрической энергии в тепловую в зоне разряда формируется нестационарное поле температур, которое приводит к образованию на поверхности электродов локальных областей расплавленного материала. Часть материала испаряется с поверхности расплава и сублимируется. При удалении расплава из микрованны на поверхности электрода появляется эрозионная лунка, размеры которой зависят в первую очередь от энергии разряда. В результате разряда и сопутствующих явлений рабочая среда обогащается газопаровым пузырем, твердыми частицами удаленного из лунки материала электрода и продуктами термического разложения рабочей среды. При высокой частоте наложения импульсов напряжения единичные лунки многократно воспроизводятся на участке поверхности рассматриваемого электрода. Суперпозиция таких лунок приводит к удалению некоторого припуска в области малых значений МЭП.For flashing holes in the bath 3 in the clamping device, the part to be processed (flashing) is fixed, the bath is filled with electrolyte, EI 4 is fed to the workpiece, the power supply is turned on 5. When a sufficiently high voltage is applied from an external power source, an electric breakdown of the interelectrode gap ) with the formation of a discharge channel surrounded by a gas bubble. When electric energy is converted into thermal energy, a non-stationary temperature field is formed in the discharge zone, which leads to the formation of local areas of molten material on the surface of the electrodes. Part of the material evaporates from the surface of the melt and sublimates. When the melt is removed from the microwell, an erosion hole appears on the surface of the electrode, the dimensions of which depend primarily on the discharge energy. As a result of the discharge and related phenomena, the working medium is enriched with a gas-vapor bubble, solid particles of the electrode material removed from the well and thermal decomposition products of the working medium. At a high frequency of application of voltage pulses, single wells are repeatedly reproduced on the surface area of the electrode in question. The superposition of such holes leads to the removal of some allowance in the region of small values of the MEP.

Заявленный способ электроэрозионной прошивки основан на «выбивании» искровым разрядом металла с поверхности заготовки, происходящий в жидкой среде. Часть «выбитого металла» испаряется, другая его часть остается в диэлектрической среде в межэлектродном промежутке (МЭП), затрудняя дальнейшую обработку. Из-за неудаленных продуктов эрозии из МЭП повышается вероятность возникновения импульсов холостого хода, направленных на деление продуктов эрозии, при их накоплении в МЭП может произойти короткое замыкание и т.д. Все вышеперечисленные явления снижают производительность операции, качество поверхностного слоя и увеличивают износ электрода-инструмента (ЭИ).The claimed method of electrical discharge erosion is based on "knocking out" a spark discharge of metal from the surface of the workpiece, occurring in a liquid medium. Part of the “knocked-out metal” evaporates, its other part remains in the dielectric medium in the interelectrode gap (MEP), making further processing difficult. Due to undeleted erosion products from the MEP, the probability of idling impulses aimed at dividing the erosion products increases, when they accumulate in the MEP, a short circuit may occur, etc. All of the above phenomena reduce the productivity of the operation, the quality of the surface layer and increase the wear of the electrode tool (EI).

Наиболее всего затруднен вынос продуктов эрозии в операции электроэрозионной прошивки отверстий малого диаметра, из-за малых МЭП. Вынос продуктов эрозии при обработке отверстий малого диаметра затруднен. На данный момент существует несколько решений данной проблемы (использование трубчатого электрода, с прокачкой рабочей жидкости через его тело). Нами было предложено одно из возможных решений этой проблемы: использование звукокапиллярного эффекта при ЭЭ прошивки отверстий малых диаметров. Звукокапиллярный эффект -аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры и узкие щели под действием ультразвука. При этом высота подъема и глубина проникновения значительно превышают соответствующие величины, обусловленные силами поверхностного натяжения жидкости. Механизм звукокапиллярного эффекта заключается в том, что жидкость поднимается по капиллярам в результате импульсов давления, возникающих при захлопывании кавитационных пластин, локализованных в сечении капилляра. Жидкость поднимается под воздействием УЗ только при условии, что кавитационная область, состоящая из пульсирующих и захлопывающихся пузырьков, находится непосредственно под капилляром. Нарушению локализации в окрестностях основания капилляра кавитационных пузырьков и уход их из сечения капилляра приводит к падению жидкости до уровня, определяемого силами поверхностного натяжения, и прекращению звукокапиллярного эффекта. Интенсивность УЗ должна соответствовать развитой кавитации. Увеличение интенсивности УЗ и развитие акустических потоков снижает звукокапиллярный эффект. Сила, возникающая вследствие захлопывания кавитационных пузырьков, действует на жидкость из ухода в капилляр. Направление силы совпадает с направлением УЗ волны. Перемещение жидкости происходит внутри капилляра вдоль его оси. Направление перемещения совпадает с направлением действия силы. На данный момент известно использование звукокапиллярного эффекта в металлизации сложных изделий, так как обеспечивает проникновение горячего припоя во все зазоры.The most difficult is the removal of erosion products in the operation of electroerosive piercing of holes of small diameter, due to small MEP. The removal of erosion products when processing holes of small diameter is difficult. At the moment, there are several solutions to this problem (using a tubular electrode, with pumping a working fluid through his body). We have proposed one of the possible solutions to this problem: the use of the sound-capillary effect in EE firmware for holes of small diameters. The sound-capillary effect is an anomalously deep penetration of liquid into capillaries and narrow slits under the influence of ultrasound. In this case, the lift height and penetration depth significantly exceed the corresponding values due to the forces of the surface tension of the liquid. The mechanism of the sound-capillary effect is that the liquid rises through the capillaries as a result of pressure impulses arising from the collapse of cavitation plates localized in the section of the capillary. The liquid rises under the influence of ultrasound only under the condition that the cavitation area, consisting of pulsating and collapsing bubbles, is directly under the capillary. Violation of localization in the vicinity of the base of the capillary of cavitation bubbles and their departure from the cross section of the capillary leads to a drop in the liquid to a level determined by the forces of surface tension and the cessation of the sound-capillary effect. The intensity of ultrasound should correspond to the developed cavitation. An increase in the intensity of ultrasound and the development of acoustic flows reduces the sound-capillary effect. The force arising from the collapse of cavitation bubbles acts on the fluid from leaving the capillary. The direction of the force coincides with the direction of the ultrasonic wave. The fluid moves inside the capillary along its axis. The direction of movement coincides with the direction of action of the force. At the moment, it is known to use the sound-capillary effect in the metallization of complex products, since it ensures the penetration of hot solder into all gaps.

Мы предлагаем использовать звукокапиллярный эффект в схожих условиях: для удаления продуктов из глубоких и малых МЭП. При наложении механических УЗ колебаний на ванну повысится производительность и надежность процесса вследствие интенсивного выноса продуктов эрозии. Предполагается использовать УЗ колебания с частотой ƒ=18…88 кГц и амплитудой А=5…30 мкм. Выбор такого диапазона частоты колебаний обусловлен тем, что ультразвуковой капиллярный эффект проявляется только в ультразвуковом диапазоне частот от 18 до 88 кГц. Ультразвуковая обработка наблюдается только в диапазоне амплитуды от 5 до 30 мкм, данный диапазон амплитуд характерен для современных магнитострикторных преобразователей.We suggest using the sound-capillary effect in similar conditions: to remove products from deep and small MEPs. When mechanical ultrasonic vibrations are applied to the bath, the productivity and reliability of the process will increase due to the intensive removal of erosion products. It is supposed to use ultrasonic vibrations with a frequency of ƒ = 18 ... 88 kHz and an amplitude of A = 5 ... 30 μm. The choice of such a range of oscillation frequency is due to the fact that the ultrasonic capillary effect is manifested only in the ultrasonic frequency range from 18 to 88 kHz. Ultrasonic processing is observed only in the amplitude range from 5 to 30 microns, this amplitude range is typical for modern magnetostrictive transducers.

Подача электрического напряжения ЭИ синхронизована с фазой сближения электродов по закону φ=2πƒt+kπ, где ƒ - частота подачи ультразвуковых колебаний, t - время, с, k - числовой коэффициент, l<k<1,5. Частота подачи электрических импульсов ƒ_э дискретно изменяется по мере углубления электрода в заготовку по закону ƒ_э=ƒ/n(h), где n(h) -целочисленная функция глубины отверстия, получаемая экспериментально для данных условий обработки и принимающая значения 1,2…m. Электрический импульс (импульс рабочего напряжения) проходит в момент наибольшего сближения ЭИ с поверхностью заготовки (фиг.1). При отводе ЭИ происходит интенсивный вынос продуктов эрозии. При углублении ЭИ в тело заготовки вынос продуктов эрозии затрудняется. В связи с этим для стабилизации процесса частота следования электрических импульсов уменьшается (фиг.2), вследствие этого уменьшается объем продуктов эрозии, генерируемых в единицу времени.The supply of electric voltage EI is synchronized with the phase approach of the electrodes according to the law φ = 2πƒt + kπ, where ƒ is the frequency of ultrasonic vibrations, t is time, s, k is a numerical coefficient, l <k <1.5. The frequency of supply of electric pulses ƒ _e changes discretely as the electrode deepens into the workpiece according to the law ƒ _e = ƒ / n (h), where n (h) is an integer function of the hole depth, obtained experimentally for these processing conditions and taking values 1.2 ... m. An electrical impulse (impulse of operating voltage) passes at the moment of the closest approach of the EI to the surface of the workpiece (Fig. 1). With the removal of EI, an intensive removal of erosion products occurs. When deepening the EI into the body of the workpiece, the removal of erosion products is difficult. In this regard, to stabilize the process, the repetition rate of electrical pulses is reduced (figure 2), as a result, the volume of erosion products generated per unit time decreases.

Заявленный способ обеспечивает прошивание отверстий на глубину до 20 диаметров с использованием стержневого ЭИ и до 40 диаметров с использованием трубчатого ЭИ.The claimed method provides for flashing holes to a depth of 20 diameters using a rod EI and up to 40 diameters using a tubular EI.

Claims

A method of electroerosive piercing of holes, including the application of ultrasonic vibrations to the electrode, coordinated with the supply of operating voltage pulses, characterized in that the supply of operating voltage pulses is synchronized with the electrode approach phase according to the dependence φ = 2πƒt + kπ, where ƒ is the frequency of ultrasonic vibrations, t - time, s, l <k <1.5, and the frequency of electric pulses ƒ _{e is} discretely changed as the electrode deepens into the workpiece, and the frequency of ultrasonic vibrations is 18-88 kHz, and the amplitude is 5-3 0 microns.