Современное состояние и перспективы развития электроэрозионной обработки

Бесплатный доступ

Проведен анализ современного состояния технологии электроэрозионной обработки, основными задачами которого являются необходимость повышения точности и производительности процесса. Перспективы связаны с электроэрозионной обработкой интерметаллических сплавов и керамики, в том числе неэлектропроводной. Направления развития электроэрозионной обработки на современном этапе развития и в перспективе могут быть реализованы при применении новых композиционных материалов для электродов-инструментов.

Электроэрозионная обработка, электрод-инструмент, качество, производительность, композиционный материал

Короткий адрес: https://sciup.org/148202771

IDR: 148202771

Текст научной статьи 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.

Список литературы Современное состояние и перспективы развития электроэрозионной обработки

  • Каблов, Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 г.//Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
  • Choi, S.R. Mechanical properties of plasma-sprayed ZrO2-8 wt% Y2O3 thermal barrier coatings/S.R. Choi, Zhu Dongming, R.A. Miller//NASA/TM-2004, Pp. 213-216.
  • Антипов, В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов//Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 157-167.
  • Каблов, Е.Н. Перспективные высокотемпературные керамические композиционные материалы/Е.Н. Каблов, Д.В. Гращенков, Н.В. Исаева, С.С. Солнцев//Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 20-24.
  • Гуняев, Г.М. Конструкционные углепластики, модифицированные наночастицами/Г.М. Гуняев, Л.В. Чурсова, О.А. Комарова, А.Г. Гуняева//Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 277-286.
  • Елисеев, Ю.С. Электроэрозионная обработка изделий авиационно-космической техники/Ю.С. Елисеев, Б.П. Саушкин; под ред. Б.П. Саушкина. -М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2010. 437 с.
  • Гращенков, Д.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов/Д.В. Гращенков, Л.В. Чурсова//Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231-242.
  • Антипов, В.В. Слоистые металлополимерные композиционные материалы/В.В. Антипов, О.Г. Сенаторова, Н.Ф. Лукина и др.//Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 226-230.
  • Анциферов, В.Н. Стоматологическая металлокерамика на каркасе из сплавов титана: Учеб.-метод. Пособие//В.Н. Анциферов, Г.И. Рогожников, С.Е. Порозова и др. -Пермь: Изд-во Перм. гос. мед. академии, 1997. 64 с.
  • Модестов, А. Титан-керамические облицовки//Зубной техник. 2003. № 3. С. 50-53.
  • Серебреницкий, П.П. Современные электроэрозионные технологии и оборудование: учебное пособие. -СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2007. 228 с.
  • Glatte Herausforderun//Fertigung. 2011. 39, №8. С. 42-43.
  • Malle, K. Stilsichere Elegannz geschafen//Form+Werkzeug. 2011. №5. С. 38-39.
  • Shulze, V. Abtragregelung der Mikroersion maximiert die Genauigkeit/V. Shulze, C. Ruhs//Macshinenmarkt. 2011. №36. P. 116-119.
  • Блинова, Т.А. Применение устройств для электроэрозионной обработки при прошивании малых отверстий/Т.А. Блинова, С.А. Пономарева//Международная научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс». Ч.1. -М.: Губкин, 2011. С. 84-86.
  • Yannong, Wu. Jingangshi yu moliamoju gongheng (Электроэрозионная обработка)/Wu Yannong, Zhao Jianshe, Tang Lanjian, Liu Chen//China Mech. Eng. 2012. 23. № 20, P. 2430-2433.
  • Халдеев, В.Н. Электроэрозионное формообразование прецизионных оболочек сферической формы: монография/В.Н. Халдеев, А.А. Иванов, Ю.К. Завалишин. -Саров, 2011 (Саранск). 159с.
  • Ханов, А.М. Получение прецизионных титановых зубных коронок электроэрозионным методом/А.М. Ханов, Т.Р. Абляз, Н.Д. Оглезнев//Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 4-5. С. 1288-1290.
  • Rudiger. H. Microbohrungen bis 2600 mm Tiefe flott genau erodieren//Maschinenmarkt. 2011, № 36. С. 104-106.
  • Verschlaissfreies EndmassTuning//Form+Werkzeug. 2012. №3. P. 34-35.
  • Fertigung im kaum sichtbaren Bereichertigung.//D+A+CH-Spez. 2011. 29, №8. P. S10-S11.
  • Labbaripour, B. Investigating the effect of EDM parameters on surface integrity, MPR and TRW in machining of Ti-6Al-4V/B. Labbaripour, M.H. Sadeghi, Sh. Faridvand, M.R. Shabgard//Mach. Sci. and Technol. 2012. 16, № 3. P. 419-444.
  • Сарилов, М.Б. Исследование технологического процесса медного электрода-инструмента при электроэрозионной обработке титанового сплава ОТ-4/М.Б. Сарилов, С.В. Бореев//Металлообработка. 2006. № 5-6. С. 25-28.
  • Jan-lei, Zhang. Zhongguo jixie gongheng (Электроэрозионная обработка)/Zhang Jan-lei, Wng Hua, Yu Chao et al.//Diamond and abrasives eng. 2012. 32, № 3. P. 12-17.
  • Kucuktrurk, G. A new method for machining of electrically nonconductive workpieces using electric discharge machining technique/G. Kucuktrurk, C. Cogun//Mach. Sci. and Technol. 2010. 14. №2. P. 189-207.
  • Бабич, Б.Н. Металлические порошки и порошковые материалы: справочник/Б.Н. Бабич, Е.В. Вершинина, В.А. Глебов и др.; под ред. Ю.В. Левинского. -М.: ЭКОМЕТ, 2005. 520 с.
  • Матвиенко, Э.В. Влияние материала электрода-инструмента на выбор режимов электроэрозионной обработки/Э.В. Матвиенко, М.А. Вараксин, Т.А. Блинова//Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс». Ч.1. -М.: Губкин, 2011. С. 134-137.
  • Automatisch zur Top-Elektrode//Masch. Und Werkzeug. 2012. 113. №3. С. 26-27.
  • Modern Machine Shop. 2006. V. 79. Nr. 3 (август).
  • Glatte Herausforderun//Fertigung. 2011. 39. №8. Р. 42-43.
  • Bates, Ch. Влияние материала электрода на производительность электроэрозионного станка//American Machinist. 2004. V. 148. Nr. 2. С. 56-57.
  • Медь или графит -выбор материалов для электродов копировально-прошивочных cтанков//TraMetal. 2002. Nr. 66. С. 57-58.
  • European Tool and Mould Making. 2007. Vol. 9. Nr. 2 (март).
  • American Machinist, 2007, № 9.
  • Shu, K. Сравнительное исследование электроэрозионного шлифования с использованием электродов из композитов с металлической матрицей//International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2003. V. 43. Nr. 8 (июнь). Р. 845-854.
  • Tsai, H. Свойства и характеристики новых электродов на базе Cr-Cu для электроэрозионных станков/H. Tsai et al.//International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2003. V. 43, Nr 3. P. 245-252.
  • Электроэрозионный копировально-прошивочный станок для прошивки микроотверстий//EDM European (Winter, 2007, международный).C. 8
  • Аврамов, Ю.С. Новые композиционные материалы на основе несмешивающихся компонентов: получение, структура, свойства/Ю.С. Аврамов, А.Д. Шляпин. -М.: МГИУ, 1999. 206 c.
  • Li, W.P. Effects of Cr content on the interruption ability of CuCr contact materials/W.P. Li, R.L. Thomas, R.K. Smith//XIX-th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. 2000. V. 2. P. 380-383.
  • Miao, B. Current Status and Developing Trends of Cu-Cr Contact Materials for VCB/B. Miao, Y. Zhang, G. Liu//XX-Ith International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. 2004. V. 2. P. 311-314.
  • Gentsch, D. Contact Material for Vacuum Interrupters based on CuCr with a Specific High Short Circuit Interruption Ability//XXII-nd International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. 2006. V. 2. P. 437-442.
  • Temborius, S. Switching behavior of different contact materials for vacuum interrupters under load switching conditions/S. Temborius, M. Lindmayer, D. Gentsch//XIX-th. International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. 2000. V. 2. P. 519-523.
  • Хоменко, Е.В. Перспективы развития разработок в области материалов для контактов вакуумных выключателей/Е.В. Хоменко, Р.В. Минакова//Электрические контакты и электроды. -Киев: Ин-т проблем материаловедения НАН Украины, 1998. 154 с.
  • Федорченко, И.М. Порошковая металлургия: материалы, технология, свойства, области применения: справочник//И.М. Федорченко, И.Н. Францевич, Н.Д. Радомысельский и др. -Киев: Наукова думка, 1985. 550 с.
  • Косолапова, С.А. Повышение эффективности размерной электроэроэионной обработки пресс-инструмента на основе применения электродов инструментов, изготовленных из композиционного материала Cu-SiC: автореферат дисс. на соис. уч. степ. канд. техн. наук: 06.02.01. -Красноярск, 1996. 21 с.
  • Запчасти и материалы электроэрозионных станков//F+W 1-11 (февр.). С. 57.
  • Новости технологии//American Machinist. 2007. № 9. С. 12, 14-15.
  • Чернышев, В.Г. Механохимическая обработка медных порошков, предназначенных для изготовления электродов-инструментов: автореферат дис. на соис. уч. степ. канд. техн. наук: 05.16.06. -Владивосток, 2002. 23 с.
Еще
Статья научная