Выявление размеров микро-отверстий.

Геометрия отверстия распылителя имеет решающее значение для распыления и выхлопов газов.

Микро-отверстия трудно измерить с помощью оптических микроскопов и обычных координат, измеренных машиной (cmm) из-за малого диаметра и большого удлинения [1]. Общая практика изучения форм отверстия – относится к деструктивному методу [28], с помощью которого сокращается сечение отверстия или метод пластического формования, который создает копию отверстия [29]. Оба метода обеспечивают ограниченную информацию о форме и размере отверстий распылителя.

В 1990-х годах были разработаны новые технологии для обеспечения измерения формы отверстия. Masuzawa и его команда [1] разработали новую технологию под названием вибросканирование.

Этот метод использует вибрацию очень тонкого токопроводящего зонда для того чтобы обнаружить и определить расстояние между зондом и поверхностью отверстия. Измеренный профиль отверстия был получен путем последовательного обнаружения по глубине отверстия. Masuzawa и соавт. [30], Ким и соавт. [31,32], Ямамото и соавт. [33], Pourciel и соавт. [34], Lebrasseur и соавт. [35], и Pourciel и соавт. [36] провели дополнительные исследования способа вибросканирования.

А мультисенсорная технология измерения, которая в сочетании с контактными (осязательными) и бесконтактными (оптическими) датчиками работает в комплексной ШМ. Она разработана компанией Werth [37]. Принципы работы и методики выполнения измерений будут представлены в разделе 7.3.

7.1.5 Контроллеры процесса EDM

Генерация импульсов в течение процесса EDM имеет высоко стохастический и сложный характер, который увеличивает сложность разработки и конструкции контроллера. Некоторые контроллеры, разработанные за последние несколько лет для контроля процесса EDM, будут рассмотрены в этой главе.

Пропорционально-интегрально-дифференцированный (PID) контроллер часто используется для контроля процесса EDM. PID контроллер использует предопределенную математическую модель, динамически регулируемую серво движениями в соответствии с датчиком обратной связи. Сложность использования математической модели точно описывает процесс EDM воспроизводимый PID контроллером для предотвращения нежелательного появления электродуги и коротких импульсов в цепи[38, 39].

Модуляция ширины импульса (PWM) – другой обще используемый метод контроля процесса EDM. PWM контроллер регулирует сервопозицию по рабочему циклу входного напряжения импульса. PWM контроллер полагается на изменение импульса рабочих циклов, не имеет обратной связи состояния EDM и работает с суровыми нелинейностями, называемыми нечувствительностями, что существенно уменьшает производительность контроллера.

Разработка улучшенных методов контроля для EDM микроотверстий нуждается в исследовании контроллеров, что позволяет исследовать нелинейный, стохастический процесс EDM. Конкурентоспособные контроллеры процесса EDM должны быть способны отследить быстрое изменение статуса EDM, чтобы генерировать необходимые серво команды для минимизации нежелательных импульсов и ускорения процесса сверления. Контроль с помощью нечеткой логики более широко рассмотрен в главе 7.4.

 

7.2 Суб-наносекундный контроль импульсов EDM микроотверстий

7.2.1 Важность контроля EDM микроотверстий

Контроль импульсов EDM c использованием высокоскоростного сбора данных это существенная часть контроля и оптимизации процесса EDM. Напряжение и ток вдоль зазора между электродом и рабочей поверхностью значительно влияют на скорость удаления материала (МRR) в EDM микроотверстий. Для обеспечения эффективности MRR в EDM микроотверстий, обычно используется очень короткая длительность импульса и высокое напряжение разомкнутой цепи (свыше 200 В) по сравнению с обычной проволокой и погружающей EDM. Для высокой скорости повторений в EDM микроотверстий необходим высокоскоростной сбор данных для записи информации об изменении напряжения и силы тока в зазоре между электродом и образцом и для классификации на искру, дугу и короткие импульсы, что показано на рис. 7.5.

По окончании разрядки, из-за паразитной индуктивности и емкости, присущей цепи EDM, напряжение не сразу достигает стационарного значения. Это распознается так называемым звоновым эффектом[41], как показано на рисунке 7.5. Для EDM микроотверстий звоновой эффект имеет важное значение. Напряжение колеблется в течение длительного периода времени после разрядки и медленно уменьшается до стационарного значения. Уменьшение продолжительности времени звона может привести к более частым EDM импульсам и увеличить MRR.

Рисунок 7.5 Характеристика импульсов EDM: a – искра b – дуга c – короткий импульс (From Kao, C.C. и Shih, A.J., Int. J. Mach. Tools Manuf., 46, 1996, 2006.)

Другой заслуживающий внимания феномен в EDM микроотверстий это противоположное течение тока в конце импульса EDM. Паразитные компоненты вызывают обратный ток, что может привести к высокой шероховатости поверхности и излишнему износу электрода. В течение изучения EDM микроотверстий также рассматривается обратный ток в дуговых и искровых импульсах.

Мониторинг процесса EDM

Пять входных или установочных параметров используются для мониторинга EDM микроотверстий:

Полярность: Полярность - это определение полюсов между заготовкой и электродом. В положительной полярности устанавливают заготовку в качестве анода и электрод в качестве катода, и, наоборот, для отрицательной полярности. Выбор полярности может сильно повлиять на износ проволочных электродов. Износ электрода, как ожидается, будет высоким при отрицательной полярности [6]. Это свойство используется для притупления кончика электрода, процедура, известная как электродная шлифовка. Во время сверления, чтобы уменьшить износ электрода, должна быть использована положительная полярность.

Глубина сверления: Глубина сверления - это расстояние от электродной проволоки до первоначального контакта с заготовкой. Глубина сверления контролируется серводвигателем и влияет на износ электрода.

Холостое напряжение, V O:Это напряжение системы, когда цепь ЭЭ находится на открытом воздухе и создается энергия для разрядки. Пример открытой цепи с напряжением 210 В показан на рисунке 7.6.

Длительность импульса, T _D: Как показано на рисунке 7.6, T _D - это длительность положительного разрядного тока в течение одного импульса EDM. Измеренное значение T _D, как правило, длиннее, чем входное значение из-за времени, необходимого для подъема и падения тока во время разрядки. Входное значение для T _D искры на рисунке 7.6 составляет 0,1мкс. Фактическое значение составляет около 0,3 мкс.

Время прерывания (частота) импульса, T _off: Это время от конца одного импульса EDM до начала следующего импульса, как показано на рисунке 7.6. В течение времени прерывания импульса, генератор импульсов находится в выключенном состоянии и ток равен нулю.

Рисунок 7.6 Входные и выходные параметры искровых и дуговых импульсов в процессе EDM (From Kao, C.C. и Shih, A.J., Int. J. Mach. Tools Manuf., 46, 1996, 2006.)

Процесс EDM используемый для сверления микроотверстий, подходящих для инжектора дизельного двигателя, как правило, состоит из трех этапов: электродная шлифовка, сверление и проникновение.

Этап 1, электродная шлифовка: Кончик вольфрамового проволочного электрода заточен во время процесса EDM микроотверстий. На рисунке 7.7а показан пример заостренного электрода после завершения процесса сверления EDM. Этап электродной шлифовки происходит в начале контакта электрода с обрабатываемой деталью, используя отрицательную полярность, что увеличивает износ электрода и притупляет наконечник. Было доказано на практике, что это важное условие для сохранения постоянного диаметра микроотверстий.

Рисунок 7.7b показывает форму наконечника электрода после 1 этапа, притупляется кончик электрода и покрывается тонким слоем переработанного материала.

Рисунок 7.7 SEМ-изображения наконечника вольфрамового проволочного электрода a – заостренный наконечник электрода после этапа 3 EDM; b – отшлифованный наконечник электрода после этапа 1 EDM (диаметр проволочного электрода 125 мкм) (From Kao, C.C. и Shih, A.J., Int. J. Mach. Tools Manuf., 46, 1996, 2006.)

Рисунок 7.8 Процесс проникновения на этапе 3 EDM: a – изношенный наконечник проволочного электрода приводит к более узкому выходному отверстию; b – увеличение выходного отверстия происходит из-за чрезмерного хода проволочного электрода.

2 -й этап, сверление: На этапе 2 применяется положительная полярность, чтобы увеличить скорость сверления, сохраняя при этом допустимый размер стружки для эффективного ее удаления.

Этап 3, проникновение: Как показано на рисунке 7.8a, в то время, когда острый кончик электрода проникает с другой стороны заготовки, электрод все еще должен двигаться вперед на установленное расстояние, называемое чрезмерный ход, чтобы поддерживать постоянный диаметр внутри отверстия. Для наилучшего выброса загрязняющих веществ двигателем, большой диаметр отверстия на этом этапе, показанным на рисунке 7.8b, является предпочтительным.

Выходные параметры EDM

Семь главных выходных параметров EDM может быть измерена из наблюдения за импульсом EDM. Все семь параметров обозначены на рис.7.6

Разрядный ток I _d: Это максимальное значение положительного тока во время разрядки.

Обратный ток, I _г: Это максимальное значение отрицательного тока во время разрядки является обратным разрядному, который, как сообщает Hebbar [29], течет напротив разрядного тока из-за паразитной емкости системы [41,42].

Предварительно разрядный ток I_р:Используя частоту дискретизации 2 ГГц, обнаружили уникальное явление. Ток начинает возрастать до падения напряжения в разрядке. Максимальное значение тока до падения напряжения определяется как предварительно разрядный ток.

Время предварительной разрядки, Т _р, Период времени от увеличения тока до падения напряжения в начале разрядки называется временем предварительной разрядки, Т _р.

Время разрядки, T _D: Это продолжительность времени, в котором существует разрядка тока, как положительная, так и отрицательная.

Интервал напряжения, V _i: Это стационарное напряжение после затухания звонового эффекта. Интервал напряжения не является постоянным для всех импульсов в последовательности импульсов EDM. Значение зависит от промежуточных условий, таких как чистота диэлектрической жидкости и концентрация стружки в отверстии.

Время звона, T _R: Аналогично понятию времени стабилизации во временном отклике в анализе динамических систем[43], время звона определяется как период времени от t ₀, например, когда отрицательный ток повышается до нуля, до t ₁, когда колебания напряжения достигает и остается в пределах 5% от интервала напряжения V _i.. И t ₀ и t ₁ отмечены на рисунке 7.6.

 

EDM импульсы искры и дуги.

Стадии искры и дуги при сверлении (Стадия 2), а также при выправлении электрода (Стадия 1) представлены графически на рисунках 7.9 и 7.11, соответственно, при этом используется репрезентативный выборочный интервал 0,5 нс. Шесть последовательных периодов, обозначенных как «Период I» …. «Период VI», выявляются в каждой выборке искрового и дугового импульса.

- Период I: Напряжение растет и останавливается на характерном для разомкнутой цепи уровне V₀, в это время ток остается равным нулю. В течение Периода I электрод постепенно приближается к заготовке.

- Период II: Ток растет, напряжение остается неизменным в этот период. Ток предварительного разряда I_p достигается в конце Периода II. Продолжительность Периода II определяется временем предварительного разряда Т_р. В течение Периода II начинает заряжаться паразитная емкость [42], что присуще EDM цепи.

- Период III: Напряжение в этот период падает с уровня разомкнутой цепи V₀ до нуля. В начале Периода III происходит особенно быстрое падение напряжения. Скорость падения напряжения будет проанализирована в разделе 7.2.3.1. Высокочастотные колебания напряжения, обусловленные быстрым изменением полного сопротивления искрового зазора [44], возникают после быстрого падения напряжения. Ток, как правило, растет до пикового значения в данном периоде.

- Период IV: Начинается при нулевом напряжении и заканчивается с достижением нулевого тока. Напряжение в этот период становится отрицательным.

- Период V: Характеризуется отрицательным обратным током и его пиковым значением I_r.

- Период VI: Период т.н. «эффекта звона».

 

Искра и дуга при сверлении.

Искровой импульс Стадии 2 проиллюстрированный на рисунке 7.9а является наиболее показательным и, следовательно, рассмотрен в первую очередь. В течение Периода I напряжение разомкнутой цепи V₀=210 В и ток равен нулю. Время предварительного разряда Т_р=30 нс и предразрядный ток I_p=1.1 А в Периоде II. Увеличенное изображение процесса падения напряжения, маркированное прямоугольником А на рисунке 7.9а, приведено подробно на рисунке 7.10а. Скорость падения напряжения равна -37,6 В/нс. Разрядный ток Периода III I_d=6,3 А и продолжительность периода 230 нс. В Периоде V обратный ток I_r достигает значения -1,2 А. Время разряда Т_d определяется промежутком от Периода II до Периода V в 652 нс. Интервал напряжения V_i оценен в 28 В за Период VI.

Дуговой импульс Стадии 2 показан на рисунке 7.9в. В Периоде I напряжение постепенно растет, но не остается на уровне V₀ до разряда. Длительность Периода II Т_р=23 нс, при этом значение тока I_p=1,2 А. В Периоде III быстрое падение напряжения начинается со 172 В, что на 38 В меньше чем V₀. Крупный план падения напряжения, маркированный прямоугольником В на рисунке 7.9в, показан на рисунке 7.10в. Скорость падения напряжения -14,7 В/нс, что меньше аналогичного значения в искровом импульсе. Хеббаром [29] предложено использовать скорость падения напряжения при разряде для разделения искрового и дугового импульсов. Также можно оценить амплитуду высокочастотных колебаний напряжения в Периоде III. Ток в этом периоде I_d=6,5 А. длительность Периода IV 69 нс. В Период V ток I_r=-1,5 А при длительности 344 нс. T_d=690 нс, это примерно на 6% больше чем аналогичное значение в искровом импульсе.

Интервал напряжения V_i оценен в 25 В в Периоде VI. В целом, значения длительности предварительного разряда, напряжения разряда и скорости падения напряжения в начале разряда в дуговом импульсе меньше аналогичных значений в искровом импульсе.