621.00.56
Выбор параметров шероховатости для оценки качества поверхности изделий после электроэрозионной обработки
О. С. БАШЕВСКАЯ, С. В. БУШУЕВ, А. А. НИКИТИН, Е. В. РОМАШ,
Ю. В. ПОДУРАЕВ
Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
Москва, Россия, e-mail: bashevskaya@mail.ru
Выбраны параметры шероховатости поверхности после электроэрозионной обработки. Установлено, что высотный параметр шероховатости трехмерной поверхности позволяет получать наиболее информативную оценку ее качества после указанной обработки и коррелирует с профильным параметром.
Ключевые слова: параметры шероховатости, пространственные параметры, электроэрозионная обработка.
The surface roughness parameters after electroerosion machining were selected. It has been determined that altitude roughness parameter of 3D surface enables to obtain the most informative estimation of surface quality after. This machining and has a good correlation with the profile parameter.
Key words: roughness parameters, spatial parameters, electroerosion machining.
В настоящее время для изготовления высокоточных деталей из токопроводящих материалов применяют электроэрозионную обработку (ЭЭО), которая по частоте использования уступает лишь таким видам традиционной обработки, как фрезерование, точение и шлифование [1]. В процессе ЭЭО поверхностные слои изделий разрушаются под действием электрических разрядов, в зоне которых происходит нагрев, расплавление, частичное испарение и выбивание частиц материала. В стандарте [2] приведены основные термины и определения, характеризующие ЭЭО. При этой обработке поверхность изделия формируется на определенной площади, в отличие от механических способов. К твердым и сверхтвердым материалам, которые трудно обрабатывать резанием, применяют ЭЭО. Одним из основных преимуществ этого способа является высокое качество обработанных поверхностей, обусловленное физико-химическими и физико-механическими свойствами поверхностного слоя и шероховатостью. Шероховатость поверхности после ЭЭО зависит от свойств обрабатываемого материала, режимов обработ-
Рис. 1. Трехмерная модель измеренной поверхности образца из меди после электроэрозионной обработки
ки, площади поверхности и ряда других факторов [2—4]. Значительная степень неоднородности микрорельефа после ЭЭО (вследствие нерегулярного расположения микронеровностей) затрудняет оценку традиционными методами и определяет актуальность исследований, связанных с выбором параметров шероховатости.
Для проведения экспериментов в лаборатории технологий микрообработки МГТУ «СТАНКИН» на электроэрозионном проволочно-вырезном станке GF Agie Charmilles CUT 10000il Tech, обеспечивающем шероховатость поверхности 0,05 мкм и точность обработки линейных размеров детали 0,5 мкм, были изготовлены образцы из различных материалов — меди М1, стали 45, инструментальной стали 5ХНМ. Образцы обрабатывали проволокой AC Brass 900: для медной и стальной детали использовали проволоку диаметром 0,2 мм, а для детали из инструментальной стали — 0,1 мм.
Оценку качества поверхностей при ЭЭО проводили с помощью профилографа-профилометра Hommel Tester T-8000. По результатам измерений были построены 3D-модели поверхностей (рис. 1 ). Для определения степени их изотропности провели анализ направлений текстуры, при котором устанавливается зависимость угловой спектральной мощности от заданного направления. На поверхности образца из меди М1 после ЭЭО не выявили определенного направления текстуры (рис. 2), а изотропию определили на уровне 66,5 %. Выполненные исследования подтверждают, что поверхности деталей после ЭЭО имеют непериодическую структуру и это необходимо учитывать при анализе.
В стандарте [5] регламентированы термины и определения, относящиеся к шероховатости поверхности. Основным принятым критерием оценки качества поверхности являет-
ся параметр Иа — среднее арифметическое отклонение профиля, определяемое по формуле
1
*а = у 11У (х )|Сх,
о
где у — отклонения профиля от средней линии; I — базовая длина участка поверхности, на котором проводят измерения.
В [1, 6] отмечено, что параметрический подход не дает объективной оценки исследуемого профиля поверхности, полученной с помощью ЭЭО. В качестве критериев оценки предложено использовать графическое изображение плотностей ординат и тангенсов углов наклона профиля, что является более сложной и трудоемкой процедурой. В соответствии с рекомендациями производителей станка, на котором изготавливали образцы для экспериментальных исследований, измерения шероховатости следует проводить согласно стандарту [7] по параметрам высоты неровностей профиля, причем базовую длину надо устанавливать в зависимости от типа профиля.
В публикациях [8, 9] утверждается, что микронеровности поверхности после ЭЭО носят случайный характер и их нельзя оценивать только амплитудными профильными параметрами. Основные характеристики, приведенные в [10], а также пространственные параметры шероховатости (амплитудные, шаговые, гибридные, эксплуатационные, а также площадь и объем) надо оценивать по участку поверхности.
В настоящей работе исследовано качество обработки и шероховатости поверхности деталей из различных материалов с использованием пространственных параметров текстуры, делящихся на две основные группы [11 ]:
параметры целого изображения, определяющиеся по всем точкам отфильтрованной поверхности, например среднее арифметическое значение абсолютной высоты поверхности Sa;
параметры, которые находят по заданному подмножеству топологических элементов отфильтрованной поверхности, например по площади.
По пространственным характеристикам можно сделать выводы и о характере процессов, проходящих в зоне обработки и влияющих на формирование области реального контакта, по которой определяют эксплуатационные характеристики изделия. Процессы передачи тепловой или электрической энергии, в свою очередь, зависят от вида неровностей и потока энергии по площади контакта [12, 13].
Авторы сравнили результаты расчетов параметров шероховатости по двухмерным профилям и трехмерным текстурам. Одним из высотных параметров, наиболее удобным для сравнения двухмерных и трехмерных параметров [11], является среднее арифметическое абсолютной высоты поверхности [14].
90°
120°/^ I
180°i-^-i0o
Рис. 2. Направление текстуры поверхности образца электроэрозионной обработки
Sa = A Цlz(x, У)dxdyl, A
где A — базовая площадь; z(x, y) — функция, описывающая текстуру трехмерной поверхности и представляющая отклонение реальной поверхности от средней плоскости.
В ходе исследований сравнивали качество обработки отдельных образцов поверхности и участков, выполненных при разных условиях ЭЭО. Для получения трехмерных параметров шероховатости использовали режим автоматических перемещений на 10 мкм столика поперечной подачи с последующим соединением измеренных профилей в единую поверхность.
Результаты определения параметров шероховатости и условия измерений представлены в табл. 1. В качестве Ra использовали среднее значение отклонений профиля. Базовую длину выбирали в соответствии с рекомендациями для измерений конкретных значений Ra: для образца стали — 2,5 мм, для остальных образцов — 0,8 мм [15], а длину трассирования, равную шестикратной базовой длине, находили в соответствии с [7]. Остальные условия измерений были одинаковыми для всех исследуемых образцов: скорость трассирования — 1 мм/с; дискретность отсчета — 1 мкм; дискретность поперечного смещения профилей — 10 мкм. Различия между значениями параметров Ra, Sa в среднем составили 11 %, а между Ra и его скорректированными в зависимости от углов наклона профиля значениями — 6 %. В процессе исследований двухмерной поверхности до начала расчетов устраняли влияние наклона профиля, связанное с непараллельностью средней линии и линии измерений, что позволило достичь необходимого подведения измерительного щупа по нормали к поверхности. Однако возможен еще и неучитываемый наклон щупа, обеспечивающий третье измерение. При этом существует возможность получения уточненных двухмерных параметров шероховатости после анализа трехмерных поверхностей, с пересчетом по новым значениям профилей и с учетом их наклона по всей поверхности (см. табл. 1).
Таким образом, только использование данных по всей поверхности может дать максимально точную оценку шероховатости при используемой методике измерений. Отметим, что как в отношении двухмерных профилей, так и при трехмерном анализе шероховатости, существенную роль в оценке ее параметров играют фильтры, в качестве которых используют фильтры Гаусса [15, 16].
Т а б л и ц а 1
Сравнение параметров шероховатости на медном, стальном и твердосплавном образцах
Л и т е р а т у р а
Учас- Условия измерений
Образец ток исследования длина трассирования, мм базовая длина, мм количество измеренных профилей *д по 2D-профилям, мкм 5д по 3D-профилям, мкм *д по 3D-профилям, мкм
1 4,8 0,8 481 1,802 1,680 1,730
Медь 2 4,8 0,8 481 0,915 0,911 0,876
3 4,8 0,8 481 1,582 1,520 1,510
1 15,0 2,5 501 2,920 2,580 2,890
Сталь 2 15,0 2,5 501 3,313 3,000 3,280
3 15,0 2,5 501 2,854 2,490 2,850
Твердый сплав 1 4,8 0,8 481 0,088 0,0656 0,067
Результат ы сравнения площади поверхности замкнутых лунок и холмов [11 ] (табл. 2) при отсчете от средней плоскости поверхности позволяют в общих чертах оценить параметры островершинности и равномерности распределения материала по толщине поверхности. В табл. 2 представлено сравнение обработанных поверхностей медного (на участке 2) и стального образцов (на участке 1 ).
Т а б л и ц а 2
Сравнение текстурных особенностей обработанных медных и стальных поверхностей
Исследуемая поверхность Площадь замкнутых Объем замкнутых
холмов, мм2 лунок, мм2 холмов, мм3 лунок, мм3
Медь 10,8 11,6 0,012 0,014
Сталь 35,9 39,0 0,139 0,152
Из табл. 2 следует, что вне зависимости от качества обработки соотношение лунок и холмов при ЭЭО остается практически одинаковым и имеет некоторую асимметрию в область лунок.
Проведенные исследования свидетельствуют о достаточной корреляции профильного параметра Яд с п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.