Современное состояние и перспективы развития электроэрозионной обработки

покрытий на основе частично стабилизированного оксида циркония состава ZrO2 - 6-8Y2О3 толщиной 0,2-1 мм, напыляемых на поверхности деталей камер сгорания, соприкасающихся с горячими газами. На внутренней поверхности жаровой трубы должно быть предусмотрено керамическое ТЗП, обладающее хорошим сцеплением с основным материалом жаровой трубы и термостойкостью [2]. Технология изготовления лопатки предусматривает высокие требования к размерам, геометрии и качеству поверхности, поэтому после нанесения покрытия требуется механическая обработка.

В авиакосмической технике начинают использовать бериллий. Низкая плотность (d=1850 кг/м3) и высокий модуль упругости (Е=290 ГПа) обеспечивают бериллию превосходное значение удельного модуля упругости (Е/d), который в 6 раз больше соответствующих параметров для сталей, титановых и алюминиевых сплавов. Испытания показали, что использование бериллия обеспечило снижение массы тормозов в 2,5 раза (по сравнению со стальными) и улучшение их энергетических характеристик. Однако его промышленное производство ограничивают сравнительно низкая пластичность и технологичность, токсичность при обработке. Недавние исследования показали приемлемую технологичность бериллиевых материалов при испытаниях на технологическую пластичность при листовой и объемной штамповке, на свариваемость при различных способах сварки и пайки, коррозионной стойкости в различных средах, обрабатываемости при точении, фрезеровании, шлифовании, электроэрозионной резке. Эти результаты дали старт для разработки техпроцессов на различные виды обработки бериллия [3].

Появляются новые керамические и композиционные материалы. Углерод-углеродные композиционные материалы – это новый класс конструкционных материалов, предназначенных для создания теплонагруженных деталей планера воздушно-космических и гиперзвуковых самолетов, газотурбинных двигателей, деталей сопловых блоков ракет, тормозов самолетов, оснастки для металлургической промышленности и др. Они обладают уникальной способностью сохранять высокую прочность и жесткость при температурах до 2500°С, а нанесение систем барьерных и антиокислительных покрытий обеспечивает работоспособность таких композитов и в окислительной среде. Однако механическая обработка таких материалов проблематична ввиду их высокой твердости и высокой концентрации напряжений по определенным направлениям слоистого композита [4, 5].

Если сравнить набор материалов для ГТД при переходе от второго к четвертому поколению, то заметно сокращено использование алюминиевых сплавов – с 7 до 0,3% и коррозионностойких сталей – с 26 до 13% за счет увеличения доли жаропрочных сплавов с 28 до 57%, а титановых сплавов – в 6 раз – с 5 до 30% [6]. Основным способом изготовления титановых изделий является литье и последующая механическая обработка. Однако способ литья титановых сплавов обладает недостатками – низкая размерная точность изготовления, так как сплавы плохо поддаются фрезерованию (титан склонен к налипанию на инструмент и задиранию, а также к окислению при нагреве); литейные свойства титана не позволяют отливать тонкостенные изделия. Кроме того, в титане растворимы практически все металлы и огнеупоры, которые ухудшают свойства титана, а фазовое превращение титана из альфа-титана с гексагональной кристаллической решеткой в бета-титан с кубической при температуре 882,5оС влечет за собой не только изменение его физических параметров, но и увеличение на 17% его объема, поэтому при механической обработке некорректно выбранным инструментом или неверном режиме обработки возможны локальные перегревы металла, сопровождаемые образованием оксида и изменением кристаллической решетки. А так как многие изделия (и в авиастроении и медицине) имеют слоистое строение [3, 7-10], то при окислении не будет необходимого сцепления с соседним металлическим или керамическим слоем, появятся трещины и сколы. Использование при обработке титана различных карборундовых дисков и камней или алмазных головок сильно загрязняет поверхность титана, что в дальнейшем также приводит к трещинам и сколам в керамических покрытиях [9-10]. Поэтому одним из эффективных способов изготовления заготовок из титана является электроэрозионная обработка (ЭЭО). Основным ее преимуществом является отсутствие механического контакта с инструментом [11]. Процесс обработки заключается в том, что импульсы тока расплавляют и испаряют металл, под действием гидродинамических сил рабочей жидкости частицы металла выбрасываются из зоны разрядов. Электрод, углубляясь в заготовку, создает впадину, повторяющую его форму. В отличие от механической обработки ЭЭО можно обрабатывать практически любые электропроводные материалы вне зависимости от их твердости, можно выполнять элементы сложной формы с высокой точностью обработки, например, шаблоны, калибры, режущий инструмент, гибочные штампы, а дальнейшие перспективы этого вида обработки связывают с выполнением охлаждающих каналов в лопатках турбин, карманов, переходных элементов, что очень ответственно, так как требования к геометрии проточной части лопаток очень высоки (отклонения от профиля пера 0,02-0,04 мм) и будет перспективно при изготовлении малоразмерных лопаток с тонким пером [6]. ЭЭО незаменима при изготовлении пресс-инструмента (штампов) из инструментальных труднообрабатываемых сталей [12], моделей для литья под давлением [13] благодаря высокой точности, изделий сложной формы из медицинской стали, включая мелкие отверстия диаметром 100 мкм [14, 15]. Возможна качественная электроэрози-онная обработка сложных геометрических профилей, например, криволинейных лопастей крыльчатки [16], прецизионных оболочек сферической формы [17], однако существует необходимость точного расчета формы электрода, его траектории для уменьшения погрешности. Методом ЭЭО можно получать тонкостенные изделия (например, зубные коронки [18]), изделия с диаметром отверстия 0,3-1 мм и глубиной 2600 мм, а в ближайшей перспективе – и до 2900 мм [19], необходимых при выполнении отверстий малого диаметра, например, в форсунках двигателей внутреннего сгорания, лопаток турбин [19], а также для изготовления медицинских инструментов и изделий из твердых сплавов с высоким качеством поверхности (шероховатостью Ra 0,03 мкм) [20, 21].

При ЭЭО титановых сплавов существует проблема сильной зависимости целостности обрабатываемой поверхности от тока и продолжительности импульса, например, в сплаве Ti6Al4V наблюдали трещины и микропоры при интенсивной вариации импульсов, поэтому данный процесс требует оптимизации [22, 23].

Перспективным направлением является технология ЭЭО керамики - сверхтвердых материалов, содержащих поликристаллические алмазы и кубический нитрид бора [24], и, особенно, неэлектропроводной типа оксидов алюминия, циркония, кремния, карбида бора [25].

Неизбежным результатом действия импульса тока является расплавление не только обрабатываемого материала, но и материала электрода, поэтому к нему предъявляются особые требования, как и к подобным функциональным электротехническим материалам, включающие механическую прочность, электропроводность в интервале температур от комнатной до температуры плавления материала электрода, эрозионную стойкость, электрическую прочность [26]. На качество и производительность ЭЭО большое влияние оказывает материал электрода [27], который выбирается в соответствии со свойствами обрабатываемого материала и требованиями к обработке поверхности. Основными материалами для изготовления электрод-инструмента (ЭИ) являются графит [6, 28], который в настоящее время используют не только для черновой, но и для чистой обработки [25, 29], медь [6, 30-32] и ее сплавы (латунь, дюралюмин) [33, 34], а также композиционные материалы на основе меди с добавлением хрома, молибдена, нитрида бора, карбида вольфрама [6, 35, 36] и системы «вольфрам-серебро» [37]. Электродные материалы на основе меди составляют основную часть применяемых металлических материалов. Наиболее часто используется электролитическая медь М1 и М2, имеющая высокую электро- и теплопроводность. Применение ЭИ из меди МП-15 с пористой структурой (15% пор) позволяет при обработке импульсами прямоугольной формы до 1,5 раз по сравнению с ЭИ из меди M1 повысить скорость съема материала детали, стойкость ЭИ также возрастает. Латунь ЛС-59-1 имеет ограниченное применение при ЭЭО закрытых полостей вследствие ее пониженной до 1,5-3 раз эрозионной стойкости по сравнению с медью [6].

Наиболее предпочтительными для удовлетворения требований к ЭИ являются композиционные материалы типа псевдосплавов. Псевдосплав относится к системе «несмешивающихся компонентов», т. е. к системе, в которой проявляется тенденция к расслоению уже в жидком состоянии и фактически отсутствует растворимость в твердом [38]. Микроструктура контактных псевдосплавов представляет собой тонкую равномерную смесь двух (или более) фаз, из которых одна обладает значительно большей тугоплавкостью, чем другая (например, вольфрам-серебро, хром-медь). При переходе в такой гетерогенной структуре одной из фаз в жидкое состояние она силами поверхностного натяжения удерживается в порах тугоплавкой фазы, образующей капилляры. При выборе компонентов псевдосплавов должны соблюдаться следующие основные условия: одна из фаз должна иметь высокую электропроводность, так как она несет токовую нагрузку; вторая фаза должна быть механически прочной и значительно более тугоплавкой, чем первая, ее электропроводность играет второстепенную роль; тугоплавкая и легкоплавкая фазы практически не должны взаимодействовать (сплавляться) между собой в интервале рабочих температур; легкоплавкая фаза должна смачивать тугоплавкую фазу [38]. Электроконтактный материал на основе псевдосплавов системы Cu-Сг был разработан еще в 80-е годы и показал ряд преимуществ по сравнению с известными [39-41]. Медь обеспечивает высокую электропроводность материала, а хром в качестве тугоплавкой составляющей необходимую для электроконтактного материала твердость. В настоящее время для ЭИ с высокой стойкостью к выгоранию наибольшее применение находят материалы на основе W, Мо. Типичные соотношения WCu= 70/30, MoCu = 70/30 или WAg = 60/40 [42,43].

При использовании ЭИ из композиционных материалов существенно повышается экономическая эффективность обработки деталей из твердых, жаропрочных и титановых сплавов, а также из термически обработанных сталей [26, 44, 45]. Лучший из композиционных материалов - МБХ-3 (медь - 3% оксида хрома, 1% бора) обладает повышенной стойкостью и дает возможность увеличить скорость съема материала детали до 2-3 раз. Для ЭЭО деталей из твердых сплавов применяются также ЭИ из композиции МНБ-3 (медь - 3% нитрида бора). ЭИ, выполненные из композиции медь-вольфрам, используются для обработки деталей повышенной точности из твердых сплавов, тугоплавких металлов и сплавов [6]. При увеличении доли тугоплавкой составляющей повышается твердость и эрозионная стойкость электрода, но ухудшается электро-и теплопроводность, поэтому оптимизация состава материала может быть связана с заменой тугоплавкой фазы на твердую и электропроводную, например, карбид кремния [45].

Многие зарубежные фирмы, имеющие в своем составе исследовательские центры, в настоящее время работают в направлении повышения качества обработки и производительности за счет повышения дисперсности графитовых материалов [29]. В качестве новых технологий изготовления ЭИ можно назвать проволоки с покрытием: электроды-проволоки ViperCut А

(медь с покрытием) и ХР (латунная), позволяющие повысить характеристики обработки [46] или с ультракристаллической структурой с поверхностной твёрдостью порядка 69 HRC без применения никеля, молибдена или вольфрама [47].

Метод порошковой металлургии позволяет варьировать химическое составы, дисперсность и технологические параметры изготовления композиционных материалов для электрода инструмента, включая использование нанодиспер-ных порошков и механохимическую обработку порошков, позволяющие существенно повысить комплекс свойств материалов [48]. Особенно широкие возможности порошковой металлургии могут быть полезны при разработке новых технологических процессов электроэрозионной обработке, например, обработке неэлектропроводной керамики.

Выводы: анализ литературы показал, что для повышения качества и производительности обработки современных промышленных металлических и керамических материалов в первую очередь необходимо совершенствовать структуру и свойства материалов электродов для элек-троэрозионного прошивного инструмента, а также оптимизировать режимы обработки и расчета траектории движения инструмента.