Весомость факторов, влияющих на процесс формообразования поверхностей, при электроэрозионной обработки, определяется степенью их влияния на показатели определяющие характеристики: инструмента, обрабатываемой поверхности детали и экономических показателей процесса электроэрозионной обработки.

Наибольшее значение в данном направлении будет иметь объём и уровень исследованных и выявленных функциональных связей между факторами и показателями процесса формообразования поверхностей при электроэрозионной обработки.

Функциональные связи между параметрами обработки, условиями эксплуатации в процессе электроэрозионной обработки и технологическими показателями электроэрозионной обработки.

Я выделил следующие три основные группы факторов:

1. Параметры обработки:
2. Сила тока, протекающая между электродами (I) – P₁.
3. Напряжение, приложенное к электродам (U) – P₂.
4. Мощность импульсов – P₃.
5. Энергия импульсов – P₄.
6. Количество импульсов – P₅.
7. Амплитуда импульсов – P₆.
8. Частота повторения импульсов – P₇.
9. Длительность импульса – P₈.
10. Межэлектродный зазор – P₉.
11. Количество выплавленного металла – P₁₀.

1. Условия эксплуатации:
2. Скорость съёма металла – f₁ (P₁₁).
3. Подача электрода-проволоки – f₂ (P₁₂).
4. Траектория движения электрода-проволоки – f₃ (P₁₃).
5. Среда обработки – f₄ (P₁₄).
6. Обрабатываемый материал – f₅ (P₁₅).

1. Технологические показатели:

1. Точность – E₁.
2. Производительность – E₂.
3. Жесткость системы – E₃.
4. Износостойкость детали – E₄.
5. Прочность детали – E₅.
6. Твёрдость поверхностного слоя детали – E₆.
7. Шероховатость поверхности детали – E₇.
8. Стойкость электрода-проволоки – E₈.
9. Равномерный износ электрода-проволоки – E₉.
10. Себестоимость – E₁₀.

Рисунок 1 – Функциональные связи факторов и показателей процесса формообразования при электроэрозионной обработке.

Прочитав большое количество литературы и проанализировав множество проведенных ранее исследований, “прикоснувшись к процессу электроэрозионной обработке” на практике на реальном производстве, я смог выявить и определить внутренние функциональные связи факторов процесса формообразования, и внешние связи между факторами и показателями.

Анализ и структурирование собранной информации позволит мне объединить все полученные знания в единую базу и упростить последующий процесс создания САПР инструмента, я объединю ключевые функциональные зависимости между факторами процесса формообразования поверхностей и представлю их как матрицу МФ вида (Матрица функциональных связей между Факторами).

Представлю математическую матрицу следующим образом:

Где- элемент матрицы, представляющей собой многомерную матрицу (рис.1) которая состоит из совокупности функциональных зависимостей, табличных данных, непроверенных и неподтвержденных на эксперименте сведений, которые являются связующим звеном между рассматриваемыми факторами процесса формообразования, представленные в виде i-ой строки и j-м столбце матрицы вида МФ. Пусть номер строки соответствует N – номеру фактора и изменяется в пределах, где i=11,…,N для N<15, и номер столбца изменяется в пределах j=1,2,…,10 , соответствует номеру фактора j=N-10 для N>10. В зависимости от установленных функциональных связей или их отсутствия будет изменяться вид, структура и форма элементов  матрицы вида МФ.

Издревле известно, что любая система входит в состав более глобальной системы и содержит в себе простые и более сложные механизмы взаимодействия с другими системами, поэтому рассмотрю более сложные элементы взаимодействия в процессе формообразования в электроэрозионной обработке с помощью трехмерной матрицы (рис.2) , это позволит мне ещё глубже и качественнее проанализировать и зафиксировать все факторы взаимодействия не только в рамках электроэрозионной обработки, а также учитывая другие смежные области: материаловедение, сопротивление материалов, энергетика и т.д. Это позволит расширить фокус внимания и оценить эффективность процесса электроэрозионной обработки и даст возможность увидить новые рычаги решения задач актуальных на данный момент в инструменетальном производстве.

Рисунок 2 –  Трехмерная матрица с множественными функциональными связями.

Запишу таким же образом матрицу вида МФП (Матрица, показывающая взаимосвязи Факторов и Показателей) процесса формообразования поверхностей при электроэрозионной обработке, т.е. матрица связи обработки, технологических показателей и условий эксплуатации:

Данная математическая матрица будет записана следующим образом:

e₁-e₁₀ – это технологические показатели;

P₁-P₁₀ – это параметры обработки;

P₁₁-P₁₅ – это условия эксплуатации.

где  - элемент данной матрицы, образующий собой многомерную матрицу, которая включает в себя: сумму функциональных зависимостей, табличных данных, неисследованных и неустановленных сведений, связывающих между собой рассматриваемые факторы, расподложенные в i-ой строке, и показатели, расположенные в j- ом столбце, матрицы МФП процесса формообразования. Номер строки соответствует номеру фактора на рис.1 и изменяется в диапазоне от i=1,2,…,15, и номер столбца соответствует номеру показателя, и изменяется в диапазоне j,2,…,13. Вид, структура и форма элементов  матрицы МФП, построены аналогично (см. рис.2) элементам матрицы МФ. При этом, при отсутствии установленных функциональных связей элемент матрицы.

Представление исследованной и полученной информации таким образом, значительно упрощает систематизацию процесса построения базы данных и дальнейшего его использования. Данные матрицы могут рассматриваться как основа построения базы данных знаний процесса электроэрозионной обработки. Эти матрицы могут быть использованы как панель управления накопленными базами информации о данном процессе формообразования. Элементы данной системы не равные по значению нулю, можно рассмотреть в качестве папки системы управления, в которая будет содержать и накопливать всю информацию о взаимосвзях между фактормаи и параметрами процесса формообразования при электроэрозионной обработке.

Для создания Системы Автоматизированного Проектирования инструмента главным будет являться система показателей, которой будет удовлетворять процесс формообразования при электроэрозионной обработке. Данная система показателей будет включать в себя факторы и функциональные связи с ними.

На рис.3 приведена построенная на основе модификации матрица вида МФ, матрица инциденций связей между факторами процесса формообразования, и на рис.4 – приведена построенная на основе модификации матрицы вида МФП – матрица инциденций связей между факторами и показателями процесса формообразования при электроэрозионной обработке.

Рисунок 3 – Единичная матрица функциональных связей между факторами.

Рисунок 4 – Единичная матрица функциональных связей факторов и показателей.

Построенные матрицы инциденций выглядят как пульт управления над имеющейся информацией о процессе формообразования поверхностей при электроэрозионной обработке. Элементы данной матрицы представлены как клавиши различных цветов, цвет и значение кототрых зависит от степени формализованности функциональных связей.

Рассмотрю на примере математической матрицы функциональных связей между факторами, решение конкретной задачи. Как можно решить актуальную задачу, используя данную матрицу, например, как создать такие условия электроэрозионной обработки, при которых достигается максимальная скорость съёма металла.

P₁-P₁₀ – это параметры обработки (см. рис.1),

а P₁₁ – это интересующая нас скорость съёма металла.

Решение матрицы будет сводится к тому, что нужно будет произвести математический расчёт только одной 1-й строки, которая будет соответствовать P11 то есть максимальной скорости съёма при электроэрозионной обработке, зависящей от парметров электроэрозионной обработки P1-P10.

При решении данной задачи, необходимо сравнивать результат и его влияние на процесс электроэрозионной обработки, затем выбирать наиболее подходящий – оптимальный.

Также возможно рассчитать такие показатели, как максимальная производительность процесса электроэрозионной обработки, при этом производительность будет зависеть не только от параметров обработки, но и от условий эксплуатации, при этом сама матрица будет уже учитывать большее количество зависимостей.

e2 – производительность, она зависит, к примеру, от таких параметров, как мощность импульсов в межэлектродном пространстве P₃ и от условий эксплуатации – среда обработки P₁₄, при решении такого уравнения получается несколько результатов, из них необходимо выбрать тот или те, наибольшее влияние которых окажет на снижение себестоимости процесса обработки.

Оптимальным решением данного уравнения будет область решения этого уравнения.

Использование данного представления матриц позволит в значительной степени структурировать и формализовать процесс создания САПР режущего инструмента. Также, данная система позволяет более глубже оценить степень формализации и качественные показатели функциональных связей. Благодаря чему можно оптимизировать процесс формообразования при электроэрозионной обработке так как требуют текущие поставленные задачи инструментального производства.

Представленные матрицы инциденций могут также служить в качестве “компаса и карты” в области развития исследований процесса формообразования. При этом сами матрицы связей вида МФ и вида МФП, по мере накопления знаний, будут изменяться, как по составу факторов и показателей, так и по глубине формализации связей между ними, что даст более полную картину закономерностей, влияющих на процессы формообразования при электроэрозионной обработке.

Выводы:

1. Процесс формообразования характеризуется огромным количеством взаимосвязей факторов, которые необходимо разделять на внутренние – парметры, и внешние – показатели, что упростит понимание, структурирование и дальнейшее применение этих знаний.
2. Взаимозависимости функциональных связей между факторами, между факторами и показателями, представленными в виде матриц, позволяют структурировать, систематизировать, формализовать и использовать эти представления для решения конкретных задач.
3. Матрицы функциональных связей организационно представлены в виде четкой структуры накопленной информации в области процесса формообразования при электроэрозионной обработке.
4. Полученные матрицы вида МФ и вида МФП можно легко преобразовать в матрицы инциденций, которые представлены в виде графических панелей управления информацией и могут быть использованы для управления информацией о процессе формообразования при электроэрозионной обработке.
5. Матрицы инциденций позволяют спланировать направление последующих исследований для формализации функциональных связей процесса формообразования при электроэрозионной обработке и значительно ускорить процесс исследования.

Что же такое электроэрозионная обработка?

Электроэрозионная обработка – это такой тип обработки материала, при котором формообразование: изменение формы, размеров, качества поверхности и других свойств, обрабатываемого материала, происходит под прямым влиянием электрической эрозии за счёт воздействия электрических импульсов на обрабатываемую поверхность, при этом процесс электрической эрозии как правило происходит в диэлектрической жидкости

.

Рисунок 1 – Общая схема способа электроэрозионной обработки.

1. Генератор импульсов.
   
2. Заготовка.
   
3. Электрод-инструмент.
   
4. Капли расплавленного металла.
   
5. Эрозионная лунка.
   
6. Плазменный канал разряда.
   
7. Газовый пузырь.
   
8. Рабочая жидкость.
   

Рисунок 2 – Схемы электроэрозионной обработки.

Как же связана электроэрозионная обработка с инструментальным производством?

Инструментальное производство – производство различных режущих инструментов, инструментальной техники, технологической оснастки, которая обеспечивает и поддерживает основной процесс производства любых изделий.

Инструментальное производство является комплексной системой, так как включает в себя множество различных процессов и подсистем производства и автоматизированного проектирования инструментальной техники.

На сегодняшний день существует огромное количество всевозможных инструментов для решения большого спектра задач, обработки различных материалов и специфики работы при различных условий внешней среды. Весь процесс производства инструментальной оснастки включает в себя множество операций и участков обработки. Очень важным в инструментальном производстве является получение на выходе инструментальной техники высокого качества, с заданными геометрическими параметрами в пределах допуска формообразующей части инструмента и высоких качественных характеристик поверхностного слоя формообразующих частей технологической оснастки. Поэтому я бы хотел более подробно остановится на процессе изготовления формообразующих частей инструментальной техники, а именно на процессе электроэрозионной обработки формообразующих.

Почему электроэрозионная обработка используется в инструментальном производстве спросите Вы?

Это достаточно дорогостоящая процедура с экономической точки зрения.

Всё достаточно просто, на данный момент существует множество способов формообразования. И в достижении желаемого результата можно использовать различные пути.

Всем известно, что для производства любого изделия требуется инструменты, средства для формообразования контура и геометрии данного изделия. Исходя из того, что изделие должно соответствовать определенным геометрическим характеристикам и размерам, формам в пределах заданных допусков, необходимым является то, что инструмент, с помощью которого получаются контуры данного изделия, должен иметь точность на несколько классов выше, для того, чтобы изделие выглядело в точности так, как нарисовал его изобретатель или начертил инженер-конструктор, чтобы точно попасть в поля допусков размеров и геометрии, получаемого изделия. Таким образом, отсюда следует, что инструментальная техника и в частности формообразующие части оснастки должны быть изготовлены с высочайшей точностью, что не может обеспечить любой из существующих способов формообразования. И при этом, технологии электроэрозионной обработки способны творить чудеса.

Рисунок 3 – Электроэрозионное оборудование.

На сегодняшний день технологии электроэрозионной обработки позволяют достигать точность геометрических линейных размеров до ± 2,5 мкм и получать отверстия диаметром от 1,6 мкм.

Что даёт гарантию высокой точности производимой инструментальной техники.

Удивляет то, что при электроэрозионной обработке можно получить чистоту поверхности как зеркальную с Rz0,8 мкм (зеркальная поверхность). Основным и ключевым отличием от других способов формообразования является то, что с помощью электроэрозионной обработки возможно получать геометрию поверхности практически любой формы.

Также электроэрозионная обработка позволяет обрабатывать материалы с высокой твердостью, что не возможно сделать традиционными способами обработки.

Рисунок 4 – Фасоннные электрод-инструменты.

Основным инструментом в электроэрозионной обработке является медная, либо латунная проволока, либо фасонный электрод-инструмент из меди, латуни, либо графита. Электрод-инструмент является достаточно дорогим и поэтому при проектировании инструментальной оснастки и создании технологии изготовления инструментов необходимо учитывать требуемую чистоту поверхности инструмента и точность геометрии формообразующих, для достижения максимальной эффективности производства и снижения издержек.

Рисунок 5 – Электроэрозионная обработка сложного контура формообразующей части пуансона литьевой формы.

Для снижения затрат на формообразование при электроэрозионной обработке, необходимо учитывать какая чистота поверхности необходима. При этом для достижения максимальной частоты поверхности Rz0,8 (зеркальная поверхность), как правило осуществляют множество (10-12 проходов), так называемых проходов электрод-инструментом, после каждого прохода повышается чистота обрабатываемой поверхности.

Рисунок 6 – Различные типы формообразующих технологической оснастки.

На рис. 6 Вы можете увидеть различные типы формообразующих литьевых форм. Каждая из этих формообразующих имеет сложный профиль рабочей поверхности, который на данный момент возможно получить только электроэрозионной обработкой, также данные части инструментальной оснастки изготовлены из легированной стали 40Х, и закалены до твердости 55 HRC. Только после этого происходит электроэрозионная обработка ответственных рабочих профилей формообразующих технологической оснастки.

Рисунок 7 – Литьевые и пресс-формы.

Рисунок 8 – Детали, получаемые литьём пластмасс под давлением.

Рисунок 9 – Детали, литые из цинкового сплава.

Из всего этого следует вывод, что электроэрозионная обработка важна и широко используется в инструментальном производстве, как основа технологий формообразования сложных профилей.

Этой средой называется рабочая жидкость электроэрозионной обработки.

Как правило рабочая жидкость является диэлектриком и должна соответствовать следующим требованиям:

• обеспечивать высокие технологические показатели электроэрозионной обработки,
• обеспечивать термическую стабильность физико-химических свойств во время воздействия электрических зарядов при электроэрозионной обработке,
• обеспечивать низкую коррозионную активность к материалам электрод-инструмента и обрабатываемой заготовке,
• обеспечивать высокую температуру вспышки и низкая испаряемость,
• обеспечивать хорошую фильтруемость,
• обеспечивать отсутствие запаха и низкую токсичность,
• обеспечивать надежные электроизоляционные свойства,
• обеспечивать безопасность в эксплуатации,
• обеспечивать низкую стоимость.

Рабочие жидкости различаются по своему составу и по качественным показателям: чаще всего используется вода, реже водные растворы двухатомных спиртов, а также низкомолекулярные углеводородистые и кремнийорганические жидкости.

Опытные специалисты ориентируются на технические задачи, при выборе рабочей жидкости, для достижения максимальной эффективности электроэрозионной обработки: обеспечивающая высокий уровень технологических показателей электроэрозионной обработки и оптимальных режимов резания.

Существуют различные виды электроэрозионной обработки:

электроэрозионная отрезка (ЭЭОт), электроэрозионное объёмное копирование (ЭЭОК), электроэрозионное вырезание (ЭЭВ), электроэрозионное прошивание (ЭЭПр), электроэрозионное шлифование (ЭЭШ), электроэрозионная доводка (ЭЭД), электроэрозионное маркирование (ЭЭМ) и электроэрозионное упрочнение (ЭЭУ).

В каждом из этих видов электроэрозионной обработки применяются различные рабочие жидкости, которые обеспечивают оптимальные режимы обработки материала. Как правило, на черновых режимах применяются вязкие рабочие жидкости: смесь керосин – масло индустриальное, а чистовые операции производятся на керосине или на углеводородном сырье.

Рисунок 1 – Ванна с рабочей жидкостью.

На рисунке 1 сфотографирована ванна электроэрозионного прошивного станка SODICK AQ35L в момент прожигания профиля формообразующей, с рабочей жидкостью: синтетическим универсальным диэлектриком, который подходит и применяется, как для электроэрозионной вырезки, так и для электроэрозионной прошивки. Рабочая жидкость находится в системе станка и постоянно проходит фильтрацию, из-за того, что жидкость испаряется, необходимо периодически её доливать в систему до нужного уровня. Согласно строительным нормам температура вспышки паров рабочей жидкости должна быть выше 61 °С.

Принято за правило, что в черновой обработке используются более густые рабочие жидкости с вязкостью (5-6,6)*10-4 м2/с, а для финишной обработки жидкости с меньшей вязкостью (1,8-3,1)*10-4 м2/с. Для черновой обработки используются более густые рабочие жидкости потому что, они способствуют более интенсивному удалению продуктов электроэрозии и тем самым значительно повышают производительность процесса. Чистовая же обработка требует получения на выходе высокие качественные показатели геометрической точности и поверхностных характеристик, поэтому для финишной обработки используются менее вязкие жидкости, что способствует получению высокого качества чистоты поверхностного слоя и геометрических размеров.

Рабочая жидкость непосредственно влияет:

• на скорость удаления металла,
• на износ электрод-инструмента,
• на чистоту поверхностного слоя обработки,
• на энергопотребление и себестоимость процесса электроэрозионной обработки.

Ниже в таблице приведен список рабочих жидкостей, применяемых для различных видов электроэрозионной обработки.

Таблица 1. Рабочие жидкости для электроэрозионной обработки.

Из всего вышесказанного следует, что в каком производстве бы ни находился участок электроэрозионной обработки, необходимо ответственно подходить к выбору и применению рабочей жидкости для электроэрозионной обработки. Следует учитывать все требования и рекомендации по использованию рабочей жидкости для повышения технологических показателей процесса формообразования и достижения максимальной эффективности и безопасности производственного цикла.

h, мкм	HV0,05(кгс) H=f(h)
	1	2	3
10	1609	1552	1374
20	1511	1479	1559
30	1607	1485	1609
50	1572	1609	1499
70	1447	1441	1566
100	1479	1505	1512
200	1447		1492
Примечание: d=7,83 мкм

Таблица 2. Микротвердость, измеренная от впадины зуба к сердцевине по трем точкам

Таблица 3. Микротвердость, измеренная в сердцевине зуба (основании).

Таблица 4. Микротвердость, измеренная в сердцевине по трем точкам.

Рис. 1. Мелкомодульная червячная фреза. (Область применения: нарезание зубчатых колес механизмов наручных часов)

Рис. 2. Микрошлиф передней кромки твердосплавной мелкомодульной червячной фрезы
(увеличение х500).

Рис. 3. Микрошлиф передней кромки твердосплавной мелкомодульной червячной фрезы
(увеличение х200).

Следующим шагом определялась шероховатость задней поверхности вдоль режущей кромки на заготовке мелкомодульной твердосплавной червячной фрезы. В качестве оценки параметра шероховатости принимаю величину Rа, выражающееся следующим образом:

 (1) Или  (2)

где l – базовая длина; n – число выбранных точек профиля на базовой длине; – абсолютное отклонение профиля от средней линии в i-ой точке профиля.

Профиль задней поверхности модульной фрезы контролировали с помощью лазерного конфокального сканирующего микроскопа Olympus LEXT OLS – 3100 (Япония) с вертикальным разрешением сканирующей системы 0,01мкм.

Для анализа выбранной области поверхности с использованием лазерного микроскопического изображения достаточно сложно применять требования стандарта ИСО. Это связано с тем, что просматриваются очень малые поля зрения, а значит, базовая длина будет иметь малый предел. Вместе с тем для числовых значений высотных параметров установлены соответствующие базовые длины в таблице 5.

В программном обеспечении Olympus LEXT при расчете параметров шероховатости (волнистости) поверхности используется следующее допущение: базовая длина составляет 1/3 области от центра заданного поперечного сечения поля зрения. При увеличении 200^х поле зрения имеет размер 640Ч480 мкм, что явно недостаточно для измерения шероховатости покрытия, которое оценили величиной ~ 2,5 мкм.
Для увеличения базовой длины было выполнено последовательное соединение нескольких полей зрения при заданном увеличении с помощью специального режима мозаики, предусмотренного программным обеспечением микроскопа. Соединив четыре поля зрения при увеличении 200^х, мы получили изображение задней поверхности режущей кромки одного из зубьев модульной фрезы. Таким образом, оценка R_a происходила на базовой длине 0,85 мм, что соответствует стандарту.
Для установления R_a на полученной мозаике произвольно выбирали продольное сечение параллельное режущей кромки и тем самым получали необходимый профиль, на котором рассчитывался высотный параметр по формуле (2) при числе выбранных точек профиля на базовой длине n =1024. Среднее значение R_a полученное из 15-ти сечений с надежность 95% составило 2,6 ± 0,3 мкм.

Рис. 5. Изображение участка поверхности вдоль передней поверхности твердосплавной мелкомодульной червячной фрезы, полученное в мозаичном режиме 3D-сканирования на лазерном микроскопе Olympus LEXT.

Рис. 6. Топография участка поверхности вдоль передней поверхности твердосплавной мелкомодульной червячной фрезы (задняя поверхность). 3D – изображение, полученное после сканирования на лазерном микроскопе Olympus LEXT.

Из анализа приведенных данных видно, что в поверхностном слое отсутствуют микродефекты, в виде микротрещин после электроэрозионной обработки, как в впадине зуба так и в вершине зуба.
На поверхности просматриваются участки тонкого слоя со структурой отличной от основы толщиной порядка от 5 до 20 мкм, которая меняется по толщине. Этот слой по толщине укладывается в припуск на последующую обработку шлифованием, поэтому он не представляет опасности с точки зрения изменения свойств.
Оценка изменения свойств поверхностного слоя после электроэрозионной обработки проводилась путем измерения микротвердости с небольшой нагрузкой 50 гр = 0,5 Н с помощью приставки к микроскопу Polyvar Met – Microduramat – 4000.
На основании полученных данных, микротвердость практически не меняется по глубине, также микротвердость не меняется ни на вершине, ни на сердцевине. Это косвенно свидетельствует об отсутствии структурных изменений и значимых изменений химического состава при электроэрозионной обработке.