COMPARATIVE ANALYSIS OF TWO METHODS OF ELECTROEROSION FIRMWARE FOR DEAF MICROHOLES
Abstract and keywords
Abstract (English):
The paper presents the results of experimental studies of the significance of differences in the technological parameters of electroerosive micro-hole firmware for two variants of the micro-hole firmware series process: without facing the tool electrode and with the tool electrode facing after processing each hole. The significance of differences in the technological parameters of the firmware process is established: by the wear of the electrode-tool, by the productivity of the process and the efficiency of the process as a whole. Detailed statistical processing of data from two samples of eight duplicate (parallel) experiments in each sample is performed to accurately assess the significance of the differences between the two variants of the process of electroerosive firmware of microholes. Calculations are made of the limit values of parameters of the microholes' electroerosion firmware: the relative linear wear of the electrode-tool and the process performance. They allow identifying and excluding doubtful experiments (artifacts) from the results, i.e. experiments with sharply distinguished results. The results of such experiments should be excluded from the statistical series, since they significantly affect the results of the experiment. The paper uses an exact method for determining the required number of duplicate experiments developed at BSTU named after V. G. Shukhov. The conducted research clearly shows the feasibility of introducing the electrode-tool in manufacturing to reduce the wear of the electrode-tool and, therefore, increase the quality of products with deaf microholes, for example, in the mass production of atraumatic surgical needles, the volume of production of which is millions of pieces per year.

Keywords:
electroerosive firmware, microhole, electrode-tool, linear wear, performance, efficiency coefficient
Text
Publication text (PDF): Read Download

Введение. Известно [1, 2], что при электроэрозионной прошивке (ЭЭП) малых отверстий проволочным электродом-инструментом (ЭИ) основной износ электрода идет по его рабочему торцу, в меньшей степени изнашивается боковая поверхность электрода, износ, который особенно заметен в вблизи его рабочего торца. Это приводит к нарушению исходной цилиндрической формы ЭИ и, следовательно, к ухудшению точности формы получаемых глухих отверстий, а также к изменению других технологических показателей процесса: производительности, линейного износа ЭИ, эффективности процесса в целом.

Для исключения или существенного снижения этого негативного явления предлагается применять технологический прием: после прошивки каждого отверстия осуществлять торцовку ЭИ, то есть снимать на обратной полярности дефектную часть ЭИ, что безусловно приведет к изменению основных технологических показателей процесса. Эта работа и посвящена сравнительному анализу двух методов ЭЭП глухих малых отверстий: прошивка без торцовки ЭИ и с торцовкой ЭИ после обработки каждого отверстия.

Прошивка микроотверстий производилась в заготовке из хромоникелевой стали ХВ18Н9Т на электроэрозионном станке модели 04ЭП-10М. В качестве ЭИ использовались омедненные вольфрамовые электроды Æ 0,2 м , в качестве рабочей жидкости использовалась водопроводная вода. Энергия электрических импульсов 301,3 мкДж, частота импульсов 44 кГЦ.

Выходными параметрами процесса прошивки микроотверстий являлись: производительность процесса Q – линейная скорость прошивки отверстий в мкм/с, и относительный линейный износ электрода-инструмента g в %. Скорость прошивки измерялась с помощью секундомера и отсчётных устройств перемещения прошивочной головки станка. Относительный линейный износ электрода-инструмента определяется путем измерения глубины полученного отверстия и величины укорочения электрода после каждого опыта с помощью указанных отсчетных устройств.

На рис. 1 показана схема последовательности обработки отверстий и измерения линейного износа ЭИ.

 

https://sun9-35.userapi.com/c857324/v857324593/89378/3wwhisB0410.jpg

Рис. 1. Схема обработки и измерения износа электрода-инструмента: ЭД- электрод-деталь;
ЭИ – электрод-инструмент;
hинд. – ход электрода-инструмента по индикатору; hизн. – величина линейного износа электрода-инструмента; h отв. – глубина полученного отверстия

 

Основная часть. Результаты измерений и обработки экспериментальных данных представлены в таблицах 1 и 2.

 

 

Таблица 1

Значения измерений прошиваемых микроотверстий без торцовки ЭИ

№ опыта

h инд.,
мм

h изн.,

мм

h отв.,

мм

γ, %

t, c

Q, мкм/c

Kэ

1

0,5

0,12

0,38

31,5789

14,99

25,3502

0,8

2

0,5

0,09

0,41

21,9512

17,36

23,6175

1,08

3

0,5

0,1

0,4

25

15,44

25,9067

1,04

4

0,5

0,1

0,4

25

15,54

25,74

1,03

5

0,5

0,11

0,39

28,2051

16

24,375

0,86

6

0,5

0,1

0,4

25

15,57

25,6904

1,03

7

0,5

0,11

0,39

28,2051

16,59

23,5081

0,83

8

0,5

0,1

0,4

25

16,26

24,6002

0,98

Таблица 2

Значения измерений прошиваемых микроотверстий с торцовкой ЭИ на 0,3 мм

№ опыта

h инд.,
мм

h изн.,

мм

h отв.,

мм

γ, %

t, c

Q, мкм/c

1

0,5

0,06

0,44

13,6364

22,26

19,7664

1,45

2

0,5

0,07

0,43

16,2791

20,71

20,7629

1,28

3

0,5

0,08

0,42

19,0476

23,86

17,6027

0,92

4

0,5

0,07

0,43

16,2791

20,54

20,9348

1,29

5

0,5

0,08

0,42

19,0476

22,21

18,9104

0,99

6

0,5

0,06

0,44

13,6364

22,81

19,2898

1,41

7

0,5

0,07

0,43

16,2791

22,54

19,0772

1,17

8

0,5

0,06

0,44

13,6364

22,47

19,5817

1,44

 

 

h отв.  – глубина отверстия:

hотв.=hинд.- hизн. , мм               (1)

где, hинд. – ход электрода-инструмента (ЭИ), мм; hизн. – величина линейного износа ЭИ контролируется по индикатору ИЧ-10, мм.

Производительность процесса (скорость прошивки отверстия):

Q=hотв.t , мкм/с                      (2)

где, t – время обработки (прошивки) отверстия, с.

Относительный линейный износ ЭИ:

g=hизн.hотв.100%                    (3)

Коэффициент эффективности:

Kэ=Qg                           (4)

Результаты расчета выходных параметров процесса g и Q в восьми параллельных опытах для двух технологических вариантов ведения процесса представлены в таблицах 3 и 4.

 

Таблица 3

Значения относительного линейного износа ЭИ g

№ опыта

1

2

3

4

5

6

7

8

γ , %

без торцовки ЭИ

31,58

21,95

25

25

28,21

25

28,21

25

с

торцовкой ЭИ

13,64

16,28

19,05

16,28

19,05

13,64

16,28

13,64

Таблица 4

Значения линейной скорости прошивки отверстий Q

№ опыта

1

2

3

4

5

6

7

8

Q, мкм/с

без торцовки ЭИ

25,35

23,62

25,91

25,74

24,38

25,69

23,51

24,60

с

торцовкой ЭИ

19,77

20,76

17,60

20,93

18,91

19,29

19,08

19,58

 

 

Для точной оценки значимости отличий двух вариантов технологического процесса ЭЭП малых отверстий была выполнена детальная статистическая обработка данных двух выборок из n=8 дублирующих (параллельных) опытов в каждой выборке.

Находим среднеарифметическое значение относительного линейного износа ЭИ g  :

  • для первой серии опытов без торцовки ЭИ

      (5)

где, u –  номер параллельного опыта обрабатываемой серии; g 1u – износа ЭИ в u-том параллельном опыте первой серии опытов; n – количество опытов.

  • для второй серии опытов с торцовкой ЭИ

      (6)

Аналогично рассчитано среднеарифметическое значение производительности процесса ЭЭП микроотверстий  Q  :

  • без торцовки ЭИ

              (7)

  • c торцовкой ЭИ

              (8)

Для оценки однородности дисперсий по параметрам g и Q двух вариантов технологического процесса находим, соответственно, четыре дисперсии опытов:

  • для параметра g без торцовки ЭИ

σ1g2=1n-1n=ung 1u-g 12==18-160,76=8,68 (9)

 

  • для параметра g c торцовкой ЭИ

σ2g2=1n-1n=ung 2u-g 22==18-135,56=5,08   (10)

  • для параметра Q без торцовки ЭИ

σ1Q2=1n-1n=unQ 1u-Q 12==18-16,44=0,92  (11)

  • для параметра Q c торцовкой ЭИ

σ2Q2=1n-1n=unQ 2u-Q 22==18-17,91=1,13  (12)

Для выявления грубых ошибок в эксперименте, определения достаточности параллельных опытов и оценки точности параметров эксперимента определяем ошибку опыта для четырех выборок как корень квадратный из дисперсии опыта:

  • для параметра g без торцовки ЭИ

σ1g=σ1g2=8,68=2,95            (13)

  • для параметра g c торцовкой ЭИ

σ2g=σ2g2=5,08=2,25          (14)

  • для параметра Q без торцовки ЭИ

σ1Q=σ1Q2=0,92=0,96    (15)

  • для параметра Q c торцовкой ЭИ

σ2Q=σ2Q2=1,13=1,06    (16)

Выявление и исключение из результатов эксперимента сомнительных опытов (артефактов). Сомнительные опыты отличаются резко выделяющимися результатами, т.е. грубыми погрешностями, вызванными значительным влиянием неуправляемых факторов, погрешностями измерений, грубыми ошибками экспериментатора. Результаты таких опытов из статистического ряда следует исключить, т.к. они ощутимо влияют на результаты эксперимента.

В нашем случае предельными значениями параметров g и Q, полученных в n-параллельных опытах для двух вариантов технологического процесса, являются:

  • для параметра g  без торцовки ЭИ

 

g1max=g 1+βmaxσ1gn-1n=26,24+2,17∙2,95∙8-18=32,22                        (17)

g1min=g 1-βmaxσ1gn-1n=26,24-2,17∙2,95∙8-18=20,26                      (18)

 

где, βmax=2,17  – табличный коэффициент [3], принимаемый для числа параллельных опытов n=8 и доверительной вероятности 0,95.

  • для параметра g c торцовкой ЭИ

 

g2max=g 2+βmaxσ2gn-1n=15,98+2,17∙2,25∙8-18=20,56                       (19)

g2min=g 2-βmaxσ2gn-1n=15,98-2,17∙2,25∙8-18=11,4                          (20)

  • для параметра Q без торцовки ЭИ

Q1max=Q 1+βmaxσ1Qn-1n=24,85+2,17∙0,96∙8-18=26,8                       (21)

Q1min=Q 1-βmaxσ1Qn-1n=24,85-2,17∙0,96∙8-18=22,9                      (22)

 

  • для параметра Q c торцовкой ЭИ

 

Q2max=Q 2+βmaxσ2Qn-1n=19,49+2,17∙1,06∙8-18=21,65                     (23)

Q2min=Q 2-βmaxσ2Qn-1n=19,49-2,17∙1,06∙8-18=17,33                     (24)

 

Видно, что за пределами доупстимых значений не вышло ни одно значение параметров g и Q во всех четырех выборках, и их перерасчет не требуется.

Для обеспечения требуемой точности эксперимента определим минимально необходимое количество параллельных опытов по tn  – критерию [3]. Расчетное значение критерия:

  • для параметра g без торцовки ЭИ

tn1gР=ktg 1σ1g=0,2∙26,242,95=1,78         (25)

где, 𝑘𝑇 = 0,2 (20 %) – допустимая точность в эксперименте, известная из практики исследований данного направления [3].

  • для параметра g c торцовкой ЭИ

tn2gР=ktg 2σ2g=0,2∙15,982,25=1,42         (26)

  • для параметра Q без торцовки ЭИ

tn1QР=ktQ 1σ1Q=0,2∙24,850,96=5,17        (27)

  • для параметра Q c торцовкой ЭИ

tn2QР=ktQ 2σ2Q=0,2∙19,491,06=3,67        (28)

Расчетные значения критерия сравним с табличными [3]:

tnР=tf+1                            (29)

где, t  – критерий Стьюдента, f  – соответствующее ему число степеней свободы.

Выбираем для каждой серии параллельных опытов ближайшее меньшее к расчетному табличному tnТ  значение критерия и соответствующее ему минимальное количество необходимых опытов 𝑛𝑚𝑖𝑛 . Из расчетов видно, что ближайшим меньшим к расчетному tnР  критерию для параметра g : без торцовки ЭИ является табличное значение tnТ=1,59  которому соответствует  𝑛𝑚𝑖𝑛 = 4, а  с торцовкой ЭИ является табличное значение tnТ=1,24 , которому соответствует  𝑛𝑚𝑖𝑛 = 5 [3]. Для параметра Q: без торцовки ЭИ и с торцовкой ЭИ является табличное значение tnТ=2,48 , которому соответствует 𝑛𝑚𝑖𝑛 = 3 [3]. Следовательно, число параллельных опытов во всех сериях достаточно.

Для оценки реальной точности проведенного эксперимента определим доверительные интервалы измерений для каждой выборки по формуле [3]:

  • для параметра g без торцовки ЭИ

1gσ1gtn2,952,378=±2,47         (30)

  • для параметра g c торцовкой ЭИ

2gσ2gtn2,252,378=±1,88         (31)

  • для параметра Q без торцовки ЭИ

1Qσ1Qtn0,962,378=±0,81       (32)

  • для параметра Q c торцовкой ЭИ

2Qσ2Qtn1,06∙2,378=±0,89       (33)

где,  t=2,37  – табличное значение критерия Стьюдента при доверительной вероятности 95% (5% уровень значимости) и числе степеней свободы f=n-1=8-1=7 [3].

Тогда относительная погрешность измерений для каждой выборки составит:

  • для параметра g без торцовки ЭИ

 

K1g1gg1100 %=±2,4726,24100 %=±9,41 %                                  (34)

  • для параметра g c торцовкой ЭИ

K2g2gg2100 %=±1,8815,98100 %=±11,82 %                                   (35)

  • для параметра Q без торцовки ЭИ

K1Q1QQ1100 %=±0,8124,85100 %=±3,24 %                                    (36)

  • для параметра Q c торцовкой ЭИ

K2Q2QQ2100 %=±0,8919,49100 %=±4,57 %                                   (37)

 

Для визуальной оценки результатов эксперимента на рисунке 2 и 3 показаны схемы рассеивания параметров g и Q в двух вариантах технологического процесса и числе параллельных опытов n=8.

Рис. 2. Схема рассеивания параметра g в восьми параллельных опытах:

a – прошивка отверстий без торцовки ЭИ; б - прошивка отверстий c торцовки ЭИ

Рис. 3. Схема рассеивания параметра Q в восьми параллельных опытах: a – прошивка отверстий без торцовки ЭИ; б - прошивка отверстий c торцовки ЭИ.

 

Видно, что по износу g ЭИ и производительности Q  процесса варианты технологического процесса заметно отличаются. Оценим существенность различия этих параметров по критериям Стьюдента.

Так как число опытов n<30, то расчётное значение критерия равно [3]:

  • для параметра g

 

tрg=g 1-g 2n1-1σ1g2+n2-1σ2g2n1+n2-21n1+1n2=26,24-15,988-18,68+8-15,088+8-218+18=7,82                       (38)

  • для параметра Q

tрQ=Q 1-Q 2n1-1σ1Q2+n2-1σ2Q2n1+n2-21n1+1n2=24,85-19,498-10,92+8-11,138+8-218+18=10,58                   (39)

 

где, n1=n2=8  – число параллельных опытов в обоих вариантах технологического процесса.

Расчетные значение критерия Стьюдента tрg  и tрQ сравниваем с табличным tТ  которое определяем по заданной доверительной вероятности 95% и числу степеней свободы f=n1+n2-2=8+8-2=14 . Имеем tT=2,15  [3].

Так как расчетные значение критерия tрg  и tрQ  больше табличного  tрg=7,82>tТ=2,15  и   tрQ=10,58>tТ=2,15 , то различие средних значений относительного износа g и производительности процесса Q  существенное.

Выводы:

  1. По результатам статистической обработки данных эксперимента получены следующие значения относительного износа g и производительности процесса Q:
  • для параметра g без торцовки ЭИ

        (40)

  • для параметра g c торцовкой ЭИ

          (41)

  • для параметра Q без торцовки ЭИ

            (42)

  • для параметра Q c торцовкой ЭИ

           (43)

Таким образом, применение операции торцовки ЭИ позволяет в 1,64 раза снизить износ ЭИ, тем самым существенно повысить точность обрабатываемых микроотверстий, но при этом снижается производительность процесса в 1,27 раза. Для комплексной оценки эффективности двух технологических процессов используем относительный показатель  коэффициент эффективности [2]:

Kэ=Qg                         (44)

Для двух вариантов технологического процесса он составит:

  • без торцовки ЭИ

KЭ1=Q1g1=24,8526,24=0,95            (45)

  • c торцовкой ЭИ

KЭ2=Q2g2=19,4915,98=1,22            (46)

Таким образом, эффективность процесса с торцовкой ЭИ в 1,3 раза выше по сравнению с вариантом без торцовки ЭИ.

  1. Проведенные исследования убедительно показали целесообразность внедрения операции торцовки ЭИ в производство для снижения износа ЭИ и, следовательно, повышения качества изделий с глухими микроотверстиями, например, в массовое производство атравматических хирургических игл, объём производства, которых составляет миллионы штук в год.
References

1. Boyko A.F. Efficient technology and equipment for electroerosive firmware for precision micro-holes [Effektivnaya tekhnologiya i oborudovaniye dlya elektroerozionnoy proshivki pretsizionnykh mikrootverstiy]. Smartly. Belgorod. Publishing House of BSTU. 2010. 314 p. (rus)

2. Boyko A.F. The accuracy of electroerosive firmware of microholes [Tochnost' elektroerozionnoy proshivki mikrootverstiy]. Technology of mechanical engineering. 2012. No.6. Pp. 50-53. (rus)

3. Boyko A.F. The theory of planning and organizing multifactor experiments [Teoriya planirovaniya i organizatsii mnogofaktornykh eksperimentov]. Belgorod. Publishing House of BSTU. 2015 .102 p. (rus)

4. Boyko A. F., Pogonin A. A. Domashenko B. V. Study of the performance of the EDM firmware capillary holes [Issledovaniye proizvoditel'nosti elektroerozionnoy proshivki kapillyarnykh otverstiy]. International scientific and technical electronic Internet conference "Instrumental and metrological support of machine-building industries-2005". 2005. Vol. 1. Pp. 132-137. (rus)

5. Boyko A.F., Pogonin A.A. Domashenko B. V. Optimization of the pulse energy at the EDM firmware capillary holes [Optimizatsiya energii impul'sa pri elektroerozionnoy proshivke kapillyarnykh otverstiy]. Fifth interregional with international participation scientific conference "Mechanics of the XXI century": A collection of papers Bratsk, BrSU. 1-3 March 2006. Pp. 256-261. (rus)

6. Boyko A.F., Pogonin A.A. Domashenko B.V. The effect of the energy and frequency of the current pulses to the electrical discharge machining performance of capillary holes [Vliyaniye energii i chastoty impul'sov toka na moshchnost' elektroerozionnoy obrabotki kapillyarnykh otverstiy]. Fifth international scientific and technical Internet conference "New materials and technologies in mechanical engineering": Thesis report Bryansk. BGITA (Bryansk state Academy of engineering and technology). 2006. Pp. 113-117. (rus)

7. Spiridov A.D. Experiment Planning in the study of technological processes [Planirovaniye eksperimenta pri issledovanii tekhnologicheskikh protsessov]. M.: Mechanical Engineering. 1981. 184 p. (rus)

8. Boyko A.F. High-Frequency electroerosive piercing of small diameter holes [Vysokochastotnaya elektroerozionnaya proshivka otverstiy malogo rasstoyaniyara]. Electronic processing of materials [Elektronnaya obrabotka materialov]. 1980. No. 1. Pp. 86-88. (rus)

9. Levinson E.M. Holes of small dimensions (getter) [Otverstiya malykh razmerov (metody polucheniya)]. L.: Mechanical Engineering. 1977. Pp. 61-103. (rus)

10. Kholodnov E.V. Electric-manufacturer of small holes [Elektroiskrovoye izgotovleniye otverstiy malogo rasstoyaniyara]. Electrophysical and electrochemical methods of processing [Elektrofizicheskiye i elektrokhimicheskiye metody obrabotki]. M: NIIMASH. 1970. No. 3. Pp. 18-22.

11. Foteev N. To. Electric discharge machining of holes [Elektroerozionnaya obrabotka otverstiy]. M.: Mashinostroenie. 1976. Pp. 4-5. (rus)

12. Artamonov B.A., Vishnitsky A.L., Volkov Yu.S. Dimensional electrical treatment of metals [Razmernaya elektricheskaya obrabotka metallov]. M.: Higher school. 1978. Pp. 146-148. (rus)

13. Nozdrin I.A. Boyko A.F., Bratelnik Yu.M. The Technology of producing complex holes in carbide tool for microwelding [Tekhnologiya polucheniya slozhnykh otverstiy v tverdosplavnom instrumente dlya mikrosvarki]. Elektronnaya Tekhnika. Ser. Technology, organization of production and equipment. 1973. No. 6. Pp. 26-31. (rus)

14. Adler Y.P. Planning of industrial experiments [Planirovanie promyshlennogo experementa]. M.: Metallurgy. 1974. 264p. (rus)

15. Gerasimenko V.B. Technical basics of creating machines: tutorial [Tekhnicheskiye osnovy sozdaniya mashin: uchebnoye posobiye]. Belgorod. BSTU named after V. G. Shukhov. 2004. 207p. (rus)

16. Gorsky V.G. Planning an industrial experiment [Planirovaniye promyshlennogo eksperimenta]. M.: Metallurgy. 1974. 264 p. (rus)

17. Granovsky G. I. Processing the results of experimental studies of metal cutting. [Obrabotka rezul'tatov eksperemental'nykh issledovaniy rezaniya metallov]. M.: Engineering. 1982. 112 p. (rus)

18. Spiridonov A.A. Planning an experiment in the study of technological processes [Planirovaniye eksperimenta pri issledovanii tekhnologicheskikh protsessov]. M.: Engineering. 1981. 184 p. (rus)

19. Yuryev A.G. Organization of scientific research: tutorial. [Organizatsiya nauchnykh issledovaniy: uchebnoye posobiye]. M.: MISI. BTISM. 1985. 88 p. (rus)

20. Yuryev A.G. Fundamentals of scientific research: tutorial. [Osnovy nauchnykh issledovaniy: uchebnoye posobiye]. Belgorod. BSTU named after V. G. Shukhov. 2005. 87 p. (rus)

21. Yashcheritsyn P.I. experimental design in mechanical engineering [Planirovaniye eksperimenta v mashinostroyenii]. M: Higher school. 1985. 286p. (rus)

22. Gracheva K.A. Organization and planning of engineering production: textbook [Organizatsiya i planirovaniye mashinostroitel'nogo proizvodstva: ucheb]. M.: Higher. Shk. 2003. 470 p. (rus)


Login or Create
* Forgot password?