CC BY
1
УДК 621.9 DOI 10.25960^.2019.2.35
Повышение эффективности электроэрозионной обработки титановых и алюминиевых сплавов путем применения электродов-инструментов из композиционных материалов
А. О. Гришарин, Т. Р. Абляз, Н. Д. Оглезнев
Рассмотрены эксплуатационные свойства электродов-инструментов (далее ЭИ) из композиционного материала медь — коллоидный графит при электроэрозионной обработке (далее ЭЭО) титановых и алюминиевых сплавов. Образцы обрабатывались на копировально-прошивном станке Electronica Smart CNC при черновых режимах обработки ЭИ из меди, графита и композиционного материала. Выполнен анализ полученных в результате эксперимента данных. Установлено, что при ЭЭО титанового сплава ОТ-4 ЭИ из композиционного материала демонстрирует более высокую производительность по сравнению с ЭИ из меди и графита, однако шероховатость Ra обработанной поверхности несколько хуже. При ЭЭО алюминиевого сплава АК6 износ ЭИ из композиционного материала в несколько раз ниже, чем ЭИ из меди. Шероховатость обработанной поверхности Ra ЭИ из композиционного материала также ниже, чем у ЭИ из меди и графита.
Ключевые слова: электроэрозионная обработка, электрод-инструмент, эксплуатационные свойства, композиционный материал, титановый сплав, алюминиевый сплав.
Введение
Титановые и алюминиевые сплавы находят широкое применение во всех отраслях промышленности. Так как эти сплавы обладают уникальными физико-механическими свойствами, в первую очередь это малая масса, высокие прочность и коррозионная стойкость, наиболее часто их применяют в авиа-и ракетостроении, где масса и безотказность изделия наиболее важны.
В связи с конструктивными особенностями изделий авиа- и ракетостроительной отрасли многие детали, изготавливаемые из титановых и алюминиевых сплавов, имеют сложный криволинейный контур с высокими требованиями к точности геометрии и параметрам шероховатости обрабатываемой поверхности. Традиционно для изготовления таких деталей
применяют различные методы механической обработки. Механическая обработка титановых и алюминиевых сплавов в целом освоена и доступна, но имеет ряд особенностей и затруднений. Титан обладает высокими твердостью и прочностью и сохраняет эти свойства при высоких температурах, на режущий инструмент воздействуют мощные силы и нагрузки. Кроме того, в зоне резания возникают высокие температуры, которые негативно сказываются на эффективности механической обработки, повышают интенсивность изнашивания инструмента и риск термического упрочнения поверхности обрабатываемой детали.
Из-за высокой вязкости алюминиевых сплавов возможно формирование сливной стружки, которая наматывается на инструмент, что вызывает его поломку. Также из-за высокой вязкости происходит налипание обра-
батываемого материала на режущую кромку инструмента, что приводит к преждевременному износу режущего инструмента и ухудшению параметров шероховатости обрабатываемой поверхности.
Тенденции современного рынка к снижению серийности выпускаемой продукции вынуждают предприятия быстро адаптироваться к выпуску новых изделий. В первую очередь это обеспечивается быстрой переналадкой производства. Как правило, для выполнения механической обработки деталей со сложной геометрией требуется технологическая оснастка, проектирование и изготовление которой длительный и дорогостоящий процесс. Одним из широко применяемых альтернативных методов обработки для изготовления деталей со сложной геометрией является технология ЭЭО. Это связано с тем, что современное оборудование для ЭЭО позволяет изготавливать детали сложной формы с высокими точностью и качеством шероховатости обрабатываемой поверхности при минимальной подготовке производства [2].
Технология ЭЭО заключается в постепенном расплавлении материала под действием импульсов электрического тока. Расплавление происходит точечно, и частицы расплавленного материала вымываются из зоны резания рабочей жидкостью [3]. Помимо того что ЭЭО можно получать детали сложной геометрической формы с высокими точностью и качеством обрабатываемой поверхности, серьезным преимуществом перед механической обработкой является возможность обработки материала вне зависимости от его твердости и других физико-механических свойств [4].
Для ЭЭО применяют два типа оборудования: копировально-прошивные и проволочно-вы-резные электроэрозионные станки. В качестве ЭИ на проволочно-вырезных электроэрозионных станках используют медную проволоку, а на копировально-прошивных станках — сложнопрофильные ЭИ. ЭИ являются одними из основных элементов ЭЭО и подвергаются интенсивному изнашиванию. Как следствие, от характеристик ЭИ в значительной степени зависит эффективность ЭЭО [5].
В качестве материалов для изготовления сложнопрофильных ЭИ широко приме -няют такие материалы, как медь и графит.
Несмотря на то что эти материалы хорошо себя зарекомендовали, часто встречаются случаи, когда интенсивное изнашивание ЭИ и низкая производительность процесса делают применение ЭЭО нецелесообразным. Повышение электроэрозионных свойств ЭИ является актуальной задачей.
На сегодняшний день разработан ряд износостойких композиционных материалов электротехнического назначения, способных значительно повысить электроэрозионные свойства ЭИ по сравнению с традиционно используемыми материалами. Одним из перспективных материалов для изготовления ЭИ является композитный материал типа псевдосплава системы медь — коллоидный графит с содержанием графита менее 2 % [6]. Однако этот материал не нашел широкого применения в авиа- и ракетостроительной отраслях, поскольку не в полной мере изучен вопрос влияния ЭЭО с применением ЭИ из композиционных материалов на точность геометрии и качество поверхности обрабатываемого материала. Также отсутствуют данные по производительности и износостойкости ЭИ из композита в сравнении с ЭИ из традиционных материалов (меди и графита) при ЭЭО титановых и алюминиевых сплавов.
Цель работы — исследование износостойкости и производительности ЭИ из композиционного материала медь — коллоидный графит с содержанием графита менее 2 % при ЭЭО титановых и алюминиевых сплавов, а также исследование параметров шероховатости обрабатываемой поверхности.
Методика эксперимента
Изготовлены ЭИ из меди и графита, а также из композиционного материала медь — коллоидный графит. Для изготовления композитного ЭИ использовали порошок меди ПМС-1 (ГОСТ 49-60-75) и препарат сухого коллоидного графита С-1 (ТУ 113-08-48-63-90). Порошок меди смешивали с препаратом графита, из смеси прессовали образцы, которые отжигали в вакуумной печи. После отжига образцы вновь прессовали и спекали при температуре 1100 °С в течение 2 ч. Эксплуатационные свойства ЭИ исследовали при ЭЭО образ-
WflllOOK
цов титанового сплава ОТ-4 и алюминиевого сплава АК6 на станке Electronica Smart CNC при черновых режимах обработки. Износ ЭИ определяли путем измерения разницы масс ЭИ до и после ЭЭО образца, производительность оценивали по глубине прошитого в образце отверстия. Шероховатость определяли профилометром Mahr Perthometer S2. Рельеф поверхности исследовали на электронном микроскопе Olympus gx51.
Таблица 3
Результаты ЭЭО титанового сплава ОТ-4
ЭИ Шероховатость детали Ra Шероховатость ЭИ Ra Износ ЭИ, г Глубина обработки, мм
Медный 2,8615 2,4104 0,0048 0,0127
Графитовый 3,9301 2,5033 Налипание 0,069
Композитный 5,1555 1,9380 0,0035 0,2691
Результаты эксперимента
В табл. 1 представлены экспериментальные результаты ЭЭО алюминиевого сплава.
При обработке алюминиевого сплава АК6 производительность ЭИ из композиционного материла оказалась ниже в 1,15 раза, но и износ ЭИ был значительно ниже, чем у медного электрода — в 3,5 раза. ЭИ из графита шаржировался, в связи с чем оценить износ выбранным методом оказалось невозможным.
В табл. 2 представлены результаты исследования рельефа обрабатываемой поверхности сплава АК6.
Результаты ЭЭО алюминиевого сплава АК6
Таблица 1
ЭИ Шероховатость детали Ra Шероховатость ЭИ Ra Износ ЭИ, г Глубина обработки, мм
Медный 8,3131 0,9872 0,0014 1,2121
Графитовый 6,9828 0,9310 Налипание 1,24
Композитный 8,3687 0,8480 0,0004 1,08
При исследовании параметров шероховатости и рельефа обработанной поверхности установлено, что наилучшую шероховатость по среднему арифметическому из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины (Да) обеспечивает электрод из графита, а по сумме средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины (.Кг) обеспечивает электрод из меди. Электрод из композиционного материала показал худшие результаты по значению Яа обрабатываемой поверхности. При осмотре рельефа обработанной поверхности через электронный микроскоп существенных различий не наблюдается.
В табл. 3 представлены экспериментальные результаты ЭЭО титанового сплава ОТ-4.
При ЭЭО титанового сплава ОТ-4 ЭИ из композиционного материла износ ЭИ оказался ниже, чем у ЭИ из меди в 1,4 раза, при этом производительность ЭИ из композиционного материала была в 3,9 раза выше, чем у ЭИ из графита и в 21 раз, чем у ЭИ из меди. Поскольку ЭИ из графита, так же как при об-
Исследование рельефа обрабатываемой поверхности сплава АК6
Таблица 2
Поверхность после ЭЭО медным ЭИ Поверхность после ЭЭО графитовым ЭИ Поверхность после ЭЭО композитным ЭИ
Ra rz Ra rz Ra е,
8,3131 33,7456 6,9828 46,0724 8,3687 53,0716
Ш1 ■ ' .К''' . "fl ■ V . mm
Исследование рельефа обрабатываемой поверхности сплава ОТ-4
Таблица 4
Поверхность после ЭЭО медным ЭИ
Поверхность после ЭЭО графитовым ЭИ
Поверхность после ЭЭО композитным ЭИ
я„
я,
я„
я,
я„
я,,
2,8615
20,7887
3,9301
30,3625
5,1555
39,7328
работке алюминиевого сплава, шаржировался, оценить износ выбранным методом оказалось невозможно.
При исследовании параметров шероховатости обработанной поверхности титанового сплава ОТ-4 установлено, что наилучшую шероховатость обеспечивает ЭИ из меди. Электрод из композиционного материала показал худшие результаты по шероховатости обрабатываемой поверхности. При осмотре рельефа обработанной поверхности через электронный микроскоп, существенных различий не наблюдается.
В табл. 4 представлены результаты исследования рельефа обработанной поверхности сплава ОТ-4.
Выводы
Исходя из полученных результатов эксперимента можно сделать вывод, что применение ЭИ из композиционного материала медь — коллоидный графит целесообразно при черновой ЭЭО титанового сплава ОТ-4, а также для ЭЭО алюминиевого сплава АК6 в случаях, когда ЭИ имеет сложную геоме-
трию и высокую стоимость изготовления, а трудоемкость изготовления детали не является определяющим фактором.
Литература
1. Елисеев Ю. С., Саушкин Б. П. Состояние и перспективы развития наукоемких технологий машиностроительного производства //Металлообработка. 2010. № 2. С. 9-17.
2. Оглезнев Н. Д. Разработка композиционных материалов электродов-инструментов с улучшенными эксплуатационными характеристиками для обработки металлических сплавов: дис. ... канд. техн. наук: 05.16.06. Красноярск, 2015. 7 с.
3. Смоленцев В. П. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: в 2 т. Т. 1. М.: Высш. шк., 1983. 247 с.
4. Елисеев Ю. С., Савушкин Б. П. Электроэрозионная обработка изделий авиационно-космической техники / Под ред. Б. П. Савушкина. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. 437 с.
5. Абляз Т. Р., Ханов А. М., Хурматуллин О. Г. Современные подходы к технологии электроэрозионной обработки материалов: учеб. пособ. Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2012. 120 с.
6. Гришарин А. О., Абляз Т. Р., Оглезнев Н. Д. Повышение эффективности электроэрозионной обработки деталей гидроцилиндров и изделий специального назначения путем применения электродов-инструментов с повышенными электроэрозионными свойствами // Вестн. ПНИПУ. 2017. Т. 19, № 3. С. 151-162.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ по государственной поддержке молодых российских ученых — кандидатов наук № МК-2072.2019.8.
