CC BY
20СПОСОБ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ Исхаков Р.И.
Исхаков Руслан Ирекович — инженер, специалист по информационно-измерительной технике и технологиям, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа
Аннотация: в статье анализируется проблема высокопроизводительной обработки жаропрочных и тугоплавких материалов, применяемых в авиационной промышленности, и предлагается способ ее решения.
Ключевые слова: электроэрозионная обработка, интерметаллид, система управления, титан, жаропрочный сплав, карбидная пленка.
Развитие авиационной техники требует применения новых жаропрочных и тугоплавких материалов, таких как интерметаллиддные, никель-хромовые и титановые сплавы.
Существует широкий круг технологических задач, решение которых, для данных материалов, возможно только за счет применения электроэрозионной обработки.
Рис. 1. Электроэрозионный копировально-прошивочный станок
Сущность электроэрозионной обработки заключается в изменении размеров, форм и шероховатости поверхности электропроводной заготовки (детали) под действием электрических разрядов [1, с. 2], возникающих между электродом-инструментом и электродом-заготовкой в жидкой диэлектрической среде (рабочей жидкости).
Электрические разряды необходимой величины и длительности формирует источник технологического тока (шкаф управления, рис. 1). А подачу электрода-инструмента и поддержание необходимого межэлектродного зазора осуществляет сервопривод, закрепленный на станине (рис. 1).
Но существующее электроэрозионное оборудование не позволяет обеспечить требуемую производительность и низкий износ электрода-инструмента. Во время электроэрозионной обработки, по мере углубления, происходит зашламление межэлектродного промежутка продуктами эрозии. Из-за чего процесс обработки замедляется, количество пробоев диэлектрического слоя уменьшается, возникает локальный нагрев электрода-детали и электрода-заготовки, что влечет за собой чрезмерный износ электрода и прижоги на заготовке. А при обработке материалов из титана или интерметаллида, помимо зашламления, происходит образование карбидной пленки (рис. 2) на поверхности материала, что еще сильнее замедляет электроэрозионный процесс из-за изменения диэлектрических свойств межэлектродного промежутка.
Рис. 2. Межэлектродный зазор при электроэрозионной обработке
Стандартный источник технологического тока воздействует на межэлектродный зазор 3 видами импульсов:
1. Рабочие силовые импульсы (рис. 3б).
2. Поджигающие импульсы (рис. 3б).
3. «Защитные» импульсы (рис. 3г).
Эти импульсы могут следовать непрерывно, так и в пакетном режиме (Рис. 3в).
Рис. 3. Форма и параметры разрядных импульсов: идеальные прямоугольные импульсы (а); прямоугольные импульсы вместе с поджигающими (б); импульсы, идущие в пакетном режиме (в); «защитные» импульсы (г)
Поджигающие импульсы высокого напряжения (от 150 - 250В) необходимы для быстрой ионизации диэлектрической среды и ее пробоя. В момент пробоя рабочие силовые импульсы (~30В) осуществляют основной съем металла, который прямо пропорционален току импульсов. «Защитные» импульсы помогают предотвратить чрезмерный износ электрода-инструмента за счет образования «токового мостика» между рабочими импульсами. Однако
вышеперечисленные типы импульсов не позволяют разрушить карбидную пленку и избавиться от зашламления межэлектродного зазора.
Предлагаемый способ решения проблемы заключается в подаче дополнительного мощного кратковременного импульса (20 - 60 мкс) тока в начале пакета силовых рабочих импульсов. Мощный импульс тока (70- 100А) позволяет удалить карбидную пленку, которая замедляет процесс электроэрозионной обработки (рис. 4).
дополнительный импульс тока
з-* зб га 23 ао <ч
напряженке пшжщ. импульсов
Осциллограмма тока - верхним график Осциллограмма напряжении нижний график
Рис. 4. Осциллограмма тока и напряжения
Энергия (Е) вводимая в межэлектродный зазор дополнительным импульсом равна:
Е = (С*и2)/2 [Дж] (1)
С - емкость конденсатора, Ф
и - Напряжение на конденсаторе, В
Опытным путем было установлено, что для разрушения карбидной пленки необходима потенциальная энергия равная 0.054 Дж, при емкости конденсатора С = 30 мкФ и напряжении на обкладках конденсатора и = 60В.
В момент разряда конденсатора, ток ограничен только сопротивлением межэлектродного зазора, поэтому ток может достигать величины в 70А - 100А (рис.4). Так же важнейшим фактором, позволяющим разрушить эту пленку, является скорость изменения тока, т.е. с какой скоростью разряжается конденсатор.
Постоянная времени разряда конденсатора равна:
Т = 3*Я*С [с] (2)
Я - сопротивление в межэлектродном зазоре (величина не постоянная, зависит от текущего состояния диэлектрической среды), Ом
С - емкость конденсатора, Ф
Ток же поджигающих, «защитных» и рабочих силовых импульсов (рис.4), ограничен силовыми резисторами при этом постоянная времени разряда конденсатора значительно увеличивается, что резко уменьшает скорость изменения тока.
Т2 = 3*(Я+Яогр)*С, (3)
где Яогр - сопротивление токоограничительных резисторов.
Поэтому данные типы импульсов не могут пробить карбидную пленку - в отличие от дополнительного мощного импульса, где токоограничивающий резистор отсутствует.
11
Новый вид импульса является строго вспомогательным и его нельзя использовать в качестве основного - для съема металла, т.к. это приведет к сильной разбивке отверстий, износу электрода и возникновению дуги.
Описанный способ удаления карбидной пленки, возникающей при электроэрозионной обработке титановых, интерметаллидных и других жаропрочных сплавов реализован в опытном образце системы управления источником технологического тока.
Результаты сравнительных испытаний новой и старой систем приведены на рисунке 5.
Испытания проводились на следующих технологических параметрах:
Частота следования рабочих и поджигающих импульсов - 46 кГц,
Скважность рабочих и поджигающих импульсов - 1.8,
Ток рабочих импульсов - 30А,
Ток поджигающих импульсов - 3А,
Ток защитных импульсов - 0А,
Длительность пакета импульсов - 1200 мкс,
Длительность паузы импульсов - 1700 мкс,
Напряжение на МЭЗ - 150В.
Материал электрода-заготовки - ВТ6 (Титан).
Материал электрода-инструмента - медь (15 электродов, диаметром 1мм) Глубина обработки - 10 мм.
Новая
система
управления
Рис. 5. Сравнение производительности электроэрозионной обработки
Из графика (Рис. 5) видно, что производительность новой системы управления выше более чем в 2 раза - время обработки составило 13 мин 59 с, против 30 мин 09 с у старой системы.
На начальном этапе - до 5 мм (вертикальная ось, рис. 5), скорости систем примерно равны. На втором этапе - от 5 до 9 мм, происходит зашламление межэлектродного промежутка продуктами эрозии, образуется карбидная пленка. Но новая система управления демонстрирует более высокую скорость обработки из-за наличия дополнительного импульса тока, разрушающий данную пленку. На завершающем этапе - от 9 до 10 мм, скорости сравниваются, это обусловлено выходом электродов из заготовки.
Заключение
Разработка авиационных двигателей пятого поколения требует применения более жаропрочных и тугоплавких материалов. Но существующее оборудование не позволяет добиться требуемой производительности обработки. Проанализировав проблему и выяснив причину ее возникновения, мною был предложен способ значительного повышения производительности электроэрозионной обработки вышеперечисленных материалов. Надеюсь, что этот способ поможет нашей авиационной промышленности достичь новых высот.
Данная НИР была проведена при поддержке «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям).
Список литературы
1. ГОСТ 25331-82. Обработка электроэрозионная. Термины и определения. Москва:
Государственный комитет СССР по стандартам, 1982. 11 с.
0:00:00 0:07:12 0:14:24 0:21:36 0:28:48 0:36:00
