CC BY
52
УДК 621.9.047
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРОВОЛОКОЙ
С ОСЕВОЙ ПОДАЧЕЙ ЭЛЕКТРОЛИТА
Е.В. Смоленцев, В.Г. Грицюк, О.Г. Шипилова, Д.Е. Крохин
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: электрохимическая обработка проволокой в основном используется для резки обрабатываемых деталей с широким диапазоном толщин. Она имеет большое преимущество по сравнению с непрофилированным электродом при электроэрозионном методе, так как позволяет избежать зоны термического влияния в области обработки. Кроме того, проволочный электрод в электрохимической обработке может быть использован повторно, так как он не изнашивается. Титан и сплавы широко используются в аэрокосмической промышленности, в качестве деталей ракетных и авиационных двигателей, а также фюзелляжа, благодаря хорошему сочетанию высокой удельной прочности и коррозионной и жаростойкости. Титан и его сплавы считаются труднообрабатываемыми из-за ряда свойств этих материалов, таких как плохая теплопроводность, химическая реакционная способность и низкий модуль упругости. Рассмотрены осевая подача электролита для удаления продуктов электролиза при обработке титана, оптимизация параметров обработки, таких как скорость подачи, рабочее напряжение, концентрация электролита и т.д. Экспериментальные результаты показывают, что электрохимическая обработка с осевой подачей электролита является перспективным методом при обработке титанового сплава ОТ4. Рассматривается возможность многоэлектродной электрохимической обработки для повышения производительности обработки
Ключевые слова: электрохимическая обработка, титан, электрод-проволока
Введение
Титан и его сплавы широко используются в аэрокосмической промышленности, в качестве деталей реактивных двигателей и фюзелляжа из-за хорошего сочетания высокой удельной прочности (отношения прочности к весу) и исключительной коррозионной и жаростойкости. Обрабатываемость титана и его сплавов считается низкой из-за ряда свойств этих материалов, таких как плохая теплопроводность, химическая реакционная способность и низкий модуль упругости.
Для обработки титана и его сплавов в свое время были разработаны различные методы, основанные на различных принципах, в их числе механическая обработка, лазерная обработка, электроэрозионная обработка (ЭЭО), электрохимическая обработка (ЭХО) и т.д. Титан является химически активными и, следовательно, имеет тенденцию к привариванию к режущему инструменту в процессе механической обработки, что приводит к скалыванию и преждевременному выходу из строя инструмента. Лазерная, электроэрозионная и механическая обработки обычно приводят к возникновению зоны термического влияния, что негативно влияет на механические свойства деталей. Еще одним способом для формообразования титана
© Смоленцев Е.В., Грицюк В.Г., Шипилова О.Г., Крохин Д.Е., 2018
является ЭХО, которая представляет собой электрохимическое растворение проводящих материалов на наноуровне независимо от их твердости и ударной вязкости на аноде в электролитической ячейке. По сравнению с конкурирующими технологиями, ЭХО предлагает ряд уникальных преимуществ, таких как отсутствие износа инструмента, зон термического влияния, остаточных напряжений, трещин, заусенцев и т.д., поэтому данная обработка перспективна при обработке титана и титановых сплавов.
Электрохимическая обработка проволокой (ЭХОП) представляет собой процесс резки, в котором заготовка выступает в качестве анода, а проволока в качестве катода [2]. Непрофили-рованный инструмент можно рассматривать как более выгодную альтернативу профилированного инструмента, так как позволяет осуществлять обработку сложных форм без мощных дорогостоящих блоков питания, специального конструирования электрода и гидравлических расчетов потока электролита. Схема ЭХОП аналогична электроэрозионной обработке проволокой, однако принципиально отличается от последней в части механизма съема материала. В первом случае удаление металла достигается за счет анодного растворения, а во втором это делается с помощью электроискровой эрозии. ЭХОП имеет большое преимущество перед электроэрозионной обработкой, так как отсутствует зона термического влияния в
месте резания. Кроме того, проволочный электрод в ОРЭМ может быть использован повторно, так как он не изнашивается.
Имеющиеся исследования показывают, что максимальная скорость обработки достигается при ЭХОП для низкоуглеродистых сталей, при использовании круглого электрода-инструмента и нитрата натрия в качестве электролита. В свое время проводились исследования влияния параметров обработки, таких как скорость потока электролита, диаметр сопла и плотность тока на максимальную скорость подачи резания во время ЭХОП [1,2]. Было исследовано влияние рабочего напряжения, скорости подачи проволоки, диаметра проволоки, скорости вращения заготовки, межэлектродного расстояния на скорость удаления металла, шероховатость поверхности, а также погрешности радиуса во время поворота проволоки при ЭХОП. В [3] приведены исследования по разработке вольфрамовой микропроволоки для ЭХО, толщина которой составляет 5 мкм и позволяет получить, например, щелевые отверстия с шириной менее 20 мкм. Система подачи электролита имеет важное значение для ЭХОП, так как эффективность удаления продуктов электролиза определяет точность обработки и стабильность процесса. Для этого, например, применяют вибрацию инструмента с низкой частотой и малой амплитудой [4]. Еще одним способом повышения технологических показателей ЭХОП является сочетание оптимальных параметров обработки и механизма подачи электролита в зону обработки.
Принцип электрохимической обработки проволоки с осевой подачей электролита
Рис. 1 иллюстрирует принцип электрохимической обработки проволокой с поливом электролитом. Проволока толщиной в несколько сотен микрон является катодом - инструментом, а обрабатываемая деталь соединена с анодом источника питания. Когда напряжение прикладывается к заготовке и электроду- проволоке, происходит растворение металла на аноде. Проволочный электрод движется по заданной траектории, и положение заготовки изменяется относительно расположения проволочного электрода. В процессе обработки продукты электролиза, такие как гидроксиды и газообразный водород, должны быть удалены, а электролит в зоне обработки должен постоянно обновляться. В про-
тивном случае будут происходить электрические короткие замыкания, в межэлектродном зазоре будут накапливаться продукты обработки и процесс будет нестабильным.
Рис. 1. Принципиальная схема электрохимической обработки проволоки с электролитом смыва
Подача электролита также возможна по осевой схеме, когда электролит течет вдоль оси проволочного электрода, что показано на рис. 2. В случае угла подачи потока электролита, отличающегося от 0°, электрод может смещаться за счет воздействия силы потока электролита, при этом стабильность обработки снижается. Для получения соосной подачи электролита разработано специальное приспособление, как показано на рис. 2 [5].
Рис. 2. Схема обработки при соосной подаче электролита
Оптимальные параметры процесса
Боковой зазор играет важную роль в электрохимической обработке проволокой. Точность обработки может быть повышена за счет уменьшения межэлектродного зазора в процессе обработки. В данной работе эксперименты проводились по прорезанию прямых щелей в листе из титанового сплава ОТ4 толщиной 0,18 мм для исследования влияния параметров процесса на боковой зазор. Рис. 3 показывает принципиальную схему формирования бокового зазора.
Рис. 3. Формирование бокового зазора при ЭХОП
На рис. 4 показано влияние диаметра сопла на величину бокового зазора, значения получены при рабочем напряжении 18 В [5]. Из рисунка видно, что боковой зазор становится большим с увеличением диаметра сопла. Боковой зазор составляет 191 мкм при диаметре сопла 0,2 мм и возрастает до 475 мкм при диаметре сопла 0,8 мм. В [5] показаны детали после резки соплами с диаметрами 0,2, 0,4 и 0,8 мм, соответственно. Травление за пределами зоны обработки очень мало при диаметре сопла 0,2 мм, но при увеличении диаметра сопла до 0,8 мм эта зона значительно возрастает. Это объясняется тем, что больший диаметр сопла снижает давление электролита и скорость потока, что приводит к распылению жидкости и, таким образом, электролит распределяется далеко от сопла по поверхности обрабатываемой детали. Очевидно, что чтобы получить малую величину бокового зазора, необходим малый диаметр сопла. По этой причине все последующие эксперименты проводились с соплом 0,2 мм в диаметре.
500 4.50
200 150
0,2 0,3 ОА 0,5 0,6 0,7 Диаметр сопла, мм
0,8
Рис. 4. Изменение бокового зазора в зависимости от диаметра сопла
Оптимизация технологических параметров
В работе [5] рассмотрена оптимизация рассматриваемого технологического процесса с целью выбора сочетания параметров обработки, которые могут обеспечить меньший боковой зазор при стабильном процессе обработки. Рассматривались пять независимых параметров, таких как концентрация электролита, расстояние заготовки от сопла, расход электролита, рабочее напряжение и скорость подачи проволоки.
На рис. 5 показано влияние параметров обработки на боковой зазор.
Рис. 5 (д) показывает, что скорость подачи проволоки в большей степени влияет на величину бокового зазора, чем другие параметры. Боковой зазор уменьшается с увеличением скорости подачи проволоки и вместе с тем очевидно, что если скорость подачи электрода -проволоки достаточно высока, то фронтальный межэлектродный зазор может оказаться слишком мал для того, чтобы поток электролита попал между проволокой и заготовкой, поэтому будут происходить электрические короткие замыкания. Таким образом, для обеспечения точности скорость подачи можно повышать лишь при стационарном процессе обработки. В данной работе оптимальная скорость подачи проволоки составляет 1,8 мм / мин. Эксперименты показали, что если скорость подачи проволоки составляет более чем 1,8 мм / мин, то процесс обработки становится неустойчивым, так как часто возникают электрические короткие замыкания.
о-1'
г
1' 1'
а)
210
V.
ч1 8"
1
1'
00 10 5060 10 80 90:
В)
210
I\ 200 %.190
I 180 1
I 160
150
170
%0 130
0 2,5 5 15 Ш 125 0 5
%
15 2025 10 то-п
б)
1'
I'
1 1'
11 18 19 20 21 22 20 Рабочее напряжение, В
Г)
0.3 0,6 0,91,2 1,5 1,8 2.1 Подача проЬолоки, м/мин д)
Рис. 5. Влияние параметров обработки на боковой зазор
График на рис. 5 (г) демонстрирует влияние рабочего напряжения на боковой зазор. Замечено, что боковой зазор увеличивается с ростом приложенного напряжения. В связи с увеличением напряжения сила тока также возрастает. Закон Фарадея гласит, что скорость уда-
ления материала пропорциональна силе тока. Таким образом, боковой зазор увеличивается с увеличением рабочего напряжения.
Также было рассмотрено влияние концентрации электролита на показатели обработки. Боковой зазор увеличивается с увеличением концентрации электролита, как это показано на рис. 5 (а). При увеличении концентрации электролита съем материала по краям зоны обработки идет интенсивнее, чем в других областях. Это объясняется тем, что плотность тока и концентрация ионов здесь больше, чем в других областях. Для ЭХОП, когда необходимо снизить боковой зазор, предпочтителен, соответственно, электролит с низкой концентрацией. Тем не менее, если концентрация слишком низкая, то проволока будет входить в контакт с заготовкой из-за снижения скорости анодного растворения.
График на рис. 5 (б) показывает, что боковой зазор увеличивается с увеличением расстояния между заготовкой и соплом. Как показано на рис. 6, величина рассеивания электролита будет принимать такие же значения, как и в случае использования сопла большого диаметра. В то же время, когда расстояние от сопла заготовки слишком мало, происходит короткое замыкание из-за скачка давления.
Рис. 6. Поток электролита
Боковой зазор уменьшается с увеличением скорости потока электролита, как это показано на рис. 5 (в). Высокая скорость потока обеспечивает равномерную струю электролита и необходимое удаление продуктов электролиза из зазора, что, в свою очередь, позволяет поддерживать стабильно низкий боковой зазор.
Оптимизация по методу Тагути, в итоге, позволяет определить оптимальный уровень комбинации параметров обработки: 2,5% ШС1 + 2,5% NN0 3, 5 мм - расстояние от сопла заготовки, 8,7 м / с - скорость потока электроли-
та, 18 В - рабочее напряжение, и 1,8 мм / мин скорость подачи электрода-проволоки.
Многоэлектродная электрохимическая обработка
В авиационно-космической технике применяются детали, в которых требуется выполнить массив некруглых отверстий в титановом сплаве. Для изготовления этих элементов по традиционной схеме обработки не удается обеспечить высокую производительность, поэтому можно предложить использовать многоэлектродную электрохимическую обработку проволокой с осевой подачей электролита (рис. 7). С помощью специального приспособления оси электродов находятся в одной плоскости. Во время процесса все электроды следуют по той же траектории при постоянной скорости подачи и обрабатывают заготовку одновременно. В [5] деталь, обработанная по схеме многоэлектродной обработки проволокой с осевой подачей электролита. Количество электродов было равно 5. Скорость подачи - 0,6 мм / мин, при этом суммарная скорость обработки достигала 3 мм / мин.
Рис. 7
Выводы
В данной статье описываются метод электрохимической обработки проволокой с осевой подачей электролита и его апробация на деталях из титанового сплава (ОТ4). На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Электрохимическая обработка проволокой с осевой подачей электролита является перспективным способом при изготовлении деталей из титановых сплавов.
2. Наиболее важными параметрами для электрохимической обработки проволокой с осевой подачей электролита являются подача электрода-проволоки, рабочее напряжение, концентрация электролита, расстояние от сопла до заготовки и скорость потока электролита. Оптимальные параметры обработки: электролит 2,5% NaCl + 2,5% NaNO3, 5 мм расстояние от сопла заготовки, скорость потока электролита 8,7 м / с, рабочее напряжение 18 В, скорость подачи проволоки - 1,8 мм / мин.
3. Производительность электрохимической обработки проволокой может быть повышена за счет применения многоэлектродной схемы.
Литература
1. Теория электрических и физико-химических методов обработки. Ч I: Обработка материалов с применением инструмента: учеб. пособие / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев, Г.П. Смоленцев, И.Т. Коптев. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008. 248 с.
2. Смоленцев Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки. М.: Машиностроение, 2005. 511 с.
3. Zhu D., Wang K., Qu N.S. Micro wire electrochemical cutting by using in situ fabricated wire electrode //CIRP Ann - Manuf Technol. 2007. 56 (1). pp. 241-244.
4. El-Taweel T.A., Gouda S.A. Performance analysis of wire electrochemical turning process—RSM approach //Int J Adv Manuf Technol. 53 (2011). pp. 181-190.
5. Wire electrochemical machining with axial electrolyte flushing for titanium alloy /Ningsong Qu, Xiaolong Fang, Wei Li, Yongbin Zeng, Di Zhu // Chinese Journal of Aeronautics. 2013. Volume 26. Issue 1. P. 224-229.
Поступила 10.10.2018; принята к публикации 13.11.2018 Информация об авторах
Смоленцев Евгений Владиславович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Грицюк Василий Григорьевич - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Шипилова Ольга Геннадьевна - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Крохин Дмитрий Евгеньевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
ELECTROCHEMICAL TREATMENT OF TITANIUM ALLOYS WIYH WIRE WITH AXIAL
ELECTROLYTE FLOW
&V. Smolentsev, V.G. Gritsyuk, O.G. Shipilova, D.E. Krokhin Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: electrochemical wire processing is mainly used for cutting machined parts with a wide range of thicknesses. It has a great advantage in comparison with the non-profiled electrode in the electroerosion method, as it avoids the zone of thermal influence in the processing area. In addition, the wire electrode in the electrochemical processing can be reused, as it does not wear out. Titanium and alloys are widely used in the aerospace industry, as parts of rocket and aircraft engines, as well as the fuselage due to a good combination of high specific strength and corrosion and heat resistance. Titanium and its alloys are considered to be difficult to process due to a number of properties of these materials, such as poor thermal conductivity, chemical reactivity, and low modulus of elasticity. The article deals with the axial supply of electrolyte for the removal of electrolysis products. The axial flow of electrolyte to remove electrolysis products in the processing of titanium, the optimization of processing parameters such as feed rate, operating voltage, electrolyte concentration, etc. are considered. Experimental results show that electrochemical machining with axial electrolyte flow is a promising technique for machining titanium alloy OT4. The article also discusses the possibility of multielectrode electrochemical processing to improve processing performance
Key words: electrochemical processing, titanium, electrode wire
References
1. Smolentsev V.P., Boldyrev A.I., Smolentsev E.V., Smolentsev G.P., Koptev I.T. "Theory of electrical and physico-chemical processing methods. Part 1: Processing materials with the use of the tool" ("Teoriya elektricheskikh i fiziko-khimicheskikh metodov obrabotki. Ch I: Obrabotka materialov s primeneniem instrumenta"), Voronezh, Voronezh State Technical University, 2008, 248 p.
2. Smolentsev E.V. "Design of electrical and combined processing methods" ("Proektirovanie elektricheskikh i kom-binirovannykh metodov obrabotki"), Moscow, Mashinostroenie, 2005, 511 p.
3. Zhu D., Wang K., Qu N.S. "Micro wire electrochemical cutting by using in situ fabricated wire electrode", CIRP Ann -Manuf Technol, 2007, no. 56 (1), pp. 241-244.
4. El-Taweel T.A., Gouda S.A. "Performance analysis of wire electrochemical turning process—RSM approach", Int J Adv Manuf Technol, 2011, no. 53, pp. 181-190.
5. Ningsong Qu, Xiaolong Fang, Wei Li, Yongbin Zeng, Di Zhu "Wire electrochemical machining with axial electrolyte flushing for titanium alloy", Chinese Journal of Aeronautics, 2013, vol. 26, issue 1, pp. 224-229.
Submitted 10.10.2018; revised 13.11.2018 Information about the authors
Evgeniy V. Smolentsev, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Vasiliy G. Gritsyuk, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Ol'ga G. Shipilova, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Dmitriy E. Krokhin, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected]
