Full Text

Введение Электроэрозионная обработка (ЭЭО) - один из способов изменения размеров и форм заготовок из токопроводящих материалов [1]. Технология позволяет формировать сложнопрофильные сквозные или глухие элементы на обрабатываемых заготовках [2]. В основе электроэрозионной обработки лежит воздействие электрических разрядов на заготовку. Материал на поверхности заготовки расплавляется и удаляется из зоны обработки [3, 4]. На рис. 1 представлен принцип электроэрозионной обработки: источник импульсов электрического напряжения создает часто повторяющиеся электрические заряды, в результате чего при их прохождении в зазоре δ происходит разрушение электродов 1 и 2, которые находятся в ванне, наполненной токопроводящей жидкостью 3. Один из электродов оказывает поступательное движение DS в направлении другого электрода, который, в свою очередь, неподвижно закреплен [4-8]. Этот метод в 1943 г. был предложен советскими учеными Н.И. Лазаренко и Б.Р. Лазаренко [5]. В промежутке между электродами (межэлектродном промежутке) протекают процессы, определяемые физическими явлениями прохождения между электродами импульсов электрического тока. Электроды 1 и 2 имеют шероховатые поверхности. При их сближении всегда находится два выступа микронеровностей, расположенных на наименьшем расстоянии dmin (см. рис. 1, а). В определенный момент сближения электродов разность потенциалов U между близко расположенными выступами оказывается достаточной для ионизации молекул диэлектрической жидкости 3. Вышедшие с орбит атомов электроны устремляются к аноду, а образовавшиеся положительно заряженные ионы - к катоду. Образуется токопроводящий канал 4 (см. рис. 1, а). Электроны, двигаясь с высокой скоростью, соударяются с неионизированными молекулами жидкости, выбивая новые электроны и тем самым усиливая ток электрического разряда (см. рис. 1, б). Эта стадия процесса именуется фазой (стадией) искрового разряда. По образовавшемуся токопроводящему каналу за время 10-8-10-2 с протекает импульс тока большой плотности (ρI = 8…10 кА/мм²), что вызывает расширение канала разряда 5 (см. рис. 1, б) и рост температуры до 8000-10 000 градусов в канале и на его площадках контакта с электродами. Жидкость в межэлектродном зазоре нагревается до температуры кипения, и образуется газовый пузырь 6 из паров жидкости (см. рис. 1, в). Далее электрический разряд развивается в газовой среде, что приводит к интенсивному локальному разогреванию детали, приповерхностные слои материала плавятся и продукты расплава в виде шариков застывают 7 в проточной жидкости и выносятся из зоны обработки [9]. На рис. 2 представлена схема электроэрозионной обработки заготовки. На этой схеме изображен процесс прошивания отверстия электродом-инструментом 3 в электроде-заготовке 5, помещенной в диэлектрической жидкости 4. Между а б в Рис. 1. Этапы возникновения и развития электрического разряда Рис. 2. Схема электроэрозионной обработки электродом-инструментом и заготовкой выдерживается постоянный межэлектродный зазор dm, постоянство которого обеспечивается следящей системой 2 [8-10]. Один из основных параметров, влияющих на электроэрозионные свойства электрода-инструмента, - это его структура [11-15]. Соответственно, более эффективную электроэрозионную обработку можно осуществлять при получении электрода-инструмента с заданной, направленной структурой [16-18]. Значительно повысить эффективность в этом случае позволит лучшая электропроводность [17, 19]. Электрические характеристики эрозионного процесса влияют на производительность и качество обработки токопроводящих материалов. Микроструктура электрода-инструмента способна оказать активное влияние на эти характеристики [17]. Начало искрового и дугового процессов определяется способностью материала испускать свободные электроны, которые попадают в межэлектродное пространство. В результате чего происходит его ионизация и наводится канал проводимости, который оказывает влияние на развитие искрового и дугового разрядов [17]. Чем выше плотность дефектов кристаллического строения электрода-инструмента, тем выше его способность испускать свободные электроны (эмиссионная активность), в результате чего увеличивается стабильность и мощность искрового и дугового разрядов. Таким образом объясняется влияние микроструктуры электрода-инструмента на характер искрового и дугового процессов [17-19]. Технологическое время электроэрозионной обработки уменьшалось с повышением энергии импульса при использовании электродов-инструментов, которые были изготовлены по технологиям, обеспечивающим более высокую микротвердость. Следовательно, технологическое время увеличивалось при использовании мягких электродов-инструментов [20-24]. От исходной структуры электрода-инструмента зависит и характер его эрозионного разрушения, и характер эрозионного разрушения обрабатываемого материала, однако у этих процессов существуют принципиальные различия. При повышении энергии единичного импульса скорость эрозионного разрушения электрода носит выраженный немонотонный характер, тогда как монотонно возрастает скорость объемного съема обрабатываемого материала. Скорость эрозионного разрушения электрода-инструмента и скорость объемного съема обрабатываемого материала тем выше, чем выше твердость электрода-инструмента [17]. Повышенная плотность дефектов кристаллического строения оказывает влияние на повышение скорости разрушения твердых электродов-инструментов. Следствием чего является как снижение эрозионной стойкости, так и более низкая энтальпия плавления [17, 19]. В работе [17] отмечено, что скорость объемного съема обрабатываемого материал возрастает, тогда как скорость эрозии электрода инструмента снижается. Эта закономерность объясняется тем, что искровой заряд происходит при определенном межэлектродном зазоре, величина которого зависит от пробивного напряжения диэлектрической среды. Истинная продолжительность разряда определяется падением напряжения до пробивного. При наличии в межэлектродном зазоре эрозионных частиц величина пробивного напряжения резко снижается и становится зависимой не только от диэлектрических свойств среды, но и от концентрации активных эрозионных частиц. С учетом того, что эрозионные частицы находятся в ионизированном состоянии, электрическое сопротивление межэлектродного зазора снижается, что приводит к повышению силы тока [17, 19]. Соответственно, сила тока и мощность искрового заряда повышаются при повышении концентрации в межэлектродном пространстве продуктов эрозии [17, 19, 21]. На скорость разрушения электрода-инструмента при процессе эрозионной обработки также влияет скорость съема обрабатываемого материала [19-24]. Вероятность осаждения продуктов эрозии обрабатываемого материала на электроде-инструменте тем выше, чем больше их производится в процессе обработки [17, 19]. Термические процессы отпуска, оказывающие влияние на снижение плотности дефектов кристаллического строения поверхностных структур, которые подлежат эрозионному разрушению, приводят к повышению скорости съема обрабатываемого материала с увеличением энергии искрового импульса [17, 19]. Обеспечение заданной производительности электроэрозионной обработки при минимальном износе электрода-инструмента является актуальной научно-технической задачей, определяющей эффективность технологического процесса. Целью работы является изучение влияния структуры электрода-инструмента на эффективность эрозионной обработки материалов. Материалы и методы исследования С целью исследования влияния микроструктуры материала электродов-инструментов на процесс эрозионной обработки получено три вида литых заготовок из латуни марки ЛЦ40С (ГОСТ 24301-93): 1) с использованием стального холодильника для обеспечения неравномерности теплоотвода от поверхности; 2) с использованием бронзового холодильника для обеспечения неравномерности теплоотвода от поверхности; 3) полученный без применения средств технологического воздействия, оказывающих влияние на конечную структуру. Модель литой заготовки формовалась в песчано-глинистой смеси. Приготовление расплава ЛЦ40С осуществлялось в индукционной печи УИП-16-10-0, 01-УХЛ14 фирмы RELTEC в корундовом тигле. Полученные литые заготовки были очищены и разрезаны: цилиндр распиливали с помощью абразивного круга по центральной оси на две равные половины. Для проведения металлографического анализа полученных электродов была использована следующая методика: шлифование производили последовательно наждачной бумагой различного сорта; полирование производили вручную при помощи полировального материала, на который периодически наносили полировальную пасту ГОИ на основе оксида хрома (III). В качестве реактива для травления поверхности шлифов опытным путем был подобран раствор следующего состава: I2 (йод кристаллический) - 1 г; KI (йодистый калий) - 2 г; H2O (вода) - 100 мл; C2H5OH (этиловый спирт) - 100 мл. Шлифы были погружены в данный реактив на 3 мин, после чего их микроструктура стала отчетливо видна при помощи микроскопа Olympus GX51. Для оценки производительности и стойкости электродов был проведен ряд экспериментов. В качестве обрабатываемого материала выбрана жаропрочная высоколегированная сталь ЭП517-Ш. Электроэрозионная обработка проходила на копировально-прошивном электроэрозионном станке Electronica Smart CNC. Рабочая жидкость - масло И-20А. Режимы электроэрозионной обработки регулировались программным кодом Е51 (представлены ниже). Режим электроэрозионной обработки Сила тока, А Напряжение, В Время действия импульса, мкс 8 50 100 Измерение износа электрода-инструмента и глубины прожига осуществлялось при помощи измерительной машины Carl Zeiss Contura G2. Результаты и обсуждение На рис. 3 представлены результаты металлографического анализа электродов. Показано, что применение холодильников позволило получить микроструктуру с преобладающей столбчатой структурой, с удлинением зерна примерно в 4 раза. Гипотетически удлиненная структура позволит оказать положительное влияние на эффективность ЭЭО, так как при получении электродов-инструментов с заданной, направленной структурой улучшается их электропроводность [17-19]. Для определения износа ЭИ и производительности ЭЭО проведены экспериментальные исследования на режимах, приведенных выше. Время обработки составляло 15 мин. Каждый эксперимент повторялся 3 раза. На рис. 4 представлены результаты проведенных экспериментов. а б в Рис. 3. Результаты металлографического анализа: а - микроструктура шлифа образца из сплава ЛЦ40С, полученного с применением холодильника из стали; б - бронзы; в - без холодильника Рис. 4. Результаты ЭЭО разнородными электродами Для оценки полученных значений применяется коэффициент эффективности k: Отмечено, что электрод-инструмент, полученный без применения средств технологического воздействия (оказывающих влияние на конечную структуру металла), характеризуется повышенным износом и меньшей производительностью обработки. Коэффициент эффективности составляет Наибольший коэффициент эффективности соответствует ЭИ, полученному с применением бронзового холодильника Таким образом, подтверждается гипотеза влияния структуры ЭИ на процесс ЭЭО. Выводы Установлено, что на эффективность процесса ЭЭО влияет не только марка материала электрода-инструмента, но также и его внутренняя структура. Отмечено, что электроды с равномерной структурой позволяют обеспечить стабильность процесса резания при повышенных показателях производительности. Электроды-инструменты с преобладающей столбчатой структурой, полученные с применением холодильников, обеспечивают более высокие показатели производительности процесса эрозионной обработки. Показано, что электроды-инструменты, полученные методом литья с применением холодильников, характеризуются повышенной электропроводностью и наибольшей электроэрозионной стойкостью электрода-инструмента.

About the authors

V. V Shiryaev

Perm National Research Polytechnic University

T. R Ablyaz

Perm National Research Polytechnic University

E. S Schlykov

Perm National Research Polytechnic University

D. O Pustovalov

Perm National Research Polytechnic University

E. V Smolentsev

Voronezh State Technical University

References

Statistics

Views

Abstract - 30

PDF (Russian) - 12

Refbacks

• There are currently no refbacks.