Анализ поверхности образцов из циркония ниобия и ванадия, изготовленных с помощью проволочной электроэрозионной обработки

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА МАШИН

УДК 621.9.048.4

АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦОВ ИЗ ЦИРКОНИЯ НИОБИЯ И ВАНАДИЯ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ ПРОВОЛОЧНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ

ОБРАБОТКИ

SURFACE ANALYSIS OF ZIRCONIUM NIOBIUM AND VANADIUM SAMPLES PRODUCED BY WIRE ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING

Н. В. Бобков, А. А. Фёдоров, А. В. Линовский, Ю. О. Бредгауэр

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

N. V. Bobkov, A. A. Fedorov, A. V. Linovsky, Yu. O. Bradgauer

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Основным критерием при обработке на электроэрозионном оборудовании является достижение лучшей стабильности и высокой производительности процесса, т. е. более высокой скорости обработки с желаемой точностью и минимальным повреждением поверхности. Сложный характер процесса электроэрозии требует рассмотрения всех входных параметров для выявления наиболее значимых в плане качества поверхностного слоя и скорости удаления материала. В данной статье представлены результаты исследований характеристик поверхностей образцов из циркония, ниобия и ванадия, полученных после электроэрозионной обработки (ЭЭО), на разных режимах обработки. Для более качественного понимания механизма процесса было принято решение о изменении таких основных электрических параметров, как напряжение, сила тока, продолжительность импульса и пауза между импульсами. Исследование морфологии на растровом электронном микроскопе выявило важные особенности обрабатываемых поверхностей. Кроме того, энергодисперсионная спектрометрия показала заметное количество материала проволочного электрода, осажденного на поверхности заготовки.

Ключевые слова: цирконий, ниобий, ванадий, электроэрозионная обработка, морфология поверхности, шероховатость поверхности.

DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-41-46

I. Введение

Над решением задач по оптимизации режимов для ЭЭО работают уже достаточно давно исследователи из разных стран. Команда исследователей [1] изучала суперсплав Inconel 706, который обеспечивает высокую механическую прочность, что делает его пригодным для применения в авиастроении. Несмотря на то что Inconel 706 демонстрирует значительное увеличение предела текучести на разрыв и при растяжении по сравнению с другими суперсплавами, его обычная механическая обработка дает плохую поверхность и низкую точность размеров. Была проведена проволочная электроэрозионная обработка Inconel 706 и были исследованы различные характеристики, такие как скорость удаления материала, шероховатость поверхности, топография, микротвердость, микроструктурные и металлургические изменения образцов. Экспериментальные результаты этих исследований показали, что напряжение, сила тока, продолжительность импульса и паузы между импульсами сильно влияют на характеристики получаемой детали. Из-за высокой вязкости Inconel 706 на обрабатываемой поверхности не наблюдалось никаких микротрещин. Глубина микролунок значительно уменьшаются при малой продолжительности импульса, однако есть склонность к формированию толстого диффузионного слоя при высокой продолжительности импульса. Благодаря этому исследованию было подтверждено, что на поверхности образцов после ЭЭО присутствуют материалы электрода-инструмента, которые диффундировали из латунной проволоки.

Группа авторов [2] говорит о том, что морфология поверхности после ЭЭО выглядит как случайный массив перекрывающихся кратеров и выступов. Они утверждают, что можно выделить четыре основные зоны. Наружная поверхность представляет собой шлам или восстановленный слой, ниже располагается белый слой. Ниже белого слоя находится область, которая нагревалась и охлаждалась медленнее. Это создало отожженную область, более мягкую, чем тело заготовки. И наконец, последний слой - исходный материал. Авторы утверждают, что толщина зоны термического влияния или белого слоя пропорциональна величине энергии, затраченной на обработку. Также было отмечено, что плотность трещин в белом слое увеличивается с увеличением длительности импульса и напря-

жения. Кроме того, трещины проникают в зону термического влияния благодаря высокой энергии импульса. Шероховатость поверхности увеличивается при увеличении длительности импульса и напряжения. Также они утверждают, что поверхность образцов становится тверже из-за белого слоя, а зона термического влияния при этом мягче, чем в закаленных и отпущенных образцах из-за перегретого мартенсита.

Авторы другой работы [3] утверждают, что небольшое изменение состава наблюдалось между необработанной и обработанной поверхностью из-за образования оксидного и углеродного слоев. Это исследование прояснило механизм удаления материала, который должен плавиться и испаряться из-за интенсивного локализованного нагрева. Комбинация РЭМ и ЭДС-анализа показала, что диффузия материала является двунаправленной.

Работа [4] показывает, что так как существующие методы обработки кремния используют контактные силы в месте реза, что может привести к более высоким потерям в качестве и изменению толщины детали, то ЭЭО является хорошей альтернативой для обработки кремния. Для эксперимента авторы изготовили пластины с различной высотой от 50 до 150 мм, с помощью которых оценивалась способность процесса минимизировать ширину пропила. Очевидно, что ширина пропила уменьшается с 250 до 50 мкм, когда рез осуществляется проволокой диаметром 40 мкм, что сводится к уменьшению потерь на 300%. При этом они утверждают, что скорость реза может быть увеличена на 40-50% до 2,5 мм/мин по сравнению с обычной абразивной резкой. Используемая многоцелевая методология оптимизации дает параметрические условия, которые дают минимальную ширину реза при максимальной скорости реза и самой низкой шероховатости поверхности.

Еще одни исследователи [5], утверждают, что образование трещин происходит в связи с развитием высоких термических напряжений, превышающих предел прочности материала, а также с пластической деформацией. Эти трещины образовались в результате чрезвычайно высоких тепловых нагрузок с последующим быстрым охлаждением. Также авторы [5] отмечают, что плотность трещин возрастает с повышением силы тока и длительности импульса. Эти трещины распространяются на слои недеформированного материала под поверхностью до глубин, которые зависят от энергии импульса. Большинство трещин образуются перпендикулярно к расплавленной поверхности. Вместе с этим трещины, образовавшиеся в углублениях, располагаются в радиальном направлении; это происходит из-за тангенциальных остаточных напряжений.

Исследователи [6] рассмотрели каждый из параметров ЭЭО и обнаружили, что сила тока, длительность импульса и частота импульсов значительно влияют как на скорость удаления металла, так и на чистоту поверхности, тогда как скорость промотки проволоки, натяжение проволоки и скорость потока диэлектрической жидкости дают относительно незначительный результат. Они утверждают, что импульс с высокой энергией испаряет большое количество металла в момент разряда. Меньшие токовые разряды могут вначале удалить только небольшое количество металла, но большой процент нагревается до стадии плавления и возвращается на поверхность в качестве восстановленного слоя. Авторы считают, что общий период процесса зарядки контролируется четырьмя параметрами импульса: длительность импульса, пауза между импульсами (частота импульса), сила тока и напряжение.

II. Постановка задачи

Как показывает литературный обзор, значительное внимание уделяется исследованию качества поверхности материалов при их электроэрозионной обработке. Целью данной работы является исследование морфологии и шероховатости поверхности, а также трещинообразования при проволочной электроэрозионной обработке циркония, ниобия и ванадия как недостаточно исследованных для данного типа обработки.

III. Эксперимент

В ходе экспериментальной части исследования цирконий, ниобий и ванадий обрабатывались на проволочном электроэрозионном станке SodickVZ300L. Были подобраны усредненные значения режимов обработки для всех металлов (табл. 1). Заготовками в данной работе являлись прутки из циркония (Э110), ниобия (Нб-1П, ТУ 48-4-241-73) и ванадия (ВнП-1, ТУ 48-4-374-76). В качестве инструмента использовалась латунная проволока (Cu 60%, Zn 40%) диаметром 0,2 мм. В качестве диэлектрической жидкости использовалась дистиллированная вода.

ТАБЛИЦА 1 ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ

Ucp Icp H On Off

1 проход 60 2.3 0.106 00.8 0.14

2 проход 55 2.1 0.031 00.2 0.11

3 проход 45 1.1 0.011 00.1 0.01

4 проход 40 1.0 0.005 00.1 0.01

где Ucp - среднее напряжение, Icp - средняя сила тока, H - офсет, On - длина импульса, Off - пауза между импульсами.

После обработки были проведены исследования морфологии и шероховатости поверхности образцов после каждого из проходов. Морфология поверхности образцов исследовалась методом растровой электронной микроскопии с использованием микроскопа JEOL JCM-5700 в режиме высокого вакуума. Тип сигнала - вторичные электроны (SEI). Параметр SpotSize (размер пятна) - 50, величина ускоряющего напряжения 10-20 кВ, увеличение от 5000 до 15000 крат. Исследование шероховатости поверхности проводили на профилометре приборе TR-220 (TimeGroup) на базовых длинах 0,8 и 0,25 мм.

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Микрофотографии поверхности циркония, ниобия и ванадия после ПЭЭО представлены на рисунках 1-3. На этих микрофотографиях можно увидеть образование трещин для каждого материала и на каждом из проходов. Режимы резания на первом и втором проходах интенсивнее, чем на последующих проходах. При этом на поверхности циркония и ванадия наибольшая ширина трещин достигает 1 мкм (рис. 1 а, б; рис 3 а, б), в то время как для ниобия (рис. 2 а, б) данный параметр не превышает 0,5 мкм. Протяженность трещин для каждого из материалов различается (для циркония от 3 до 15 мкм (рис. 1 а, б), для ниобия от 8 до 25 мкм (рис. 2 а, б), а для ванадия от 5 до 30 мкм (рис. 3 а, б).

После резания на третьем и четвертом проходах размеры трещин для всех материалов уменьшаются, что особенно характерно для циркония (наибольшая ширина не превышает 0,2 мкм, а длина варьируется от 3 до 7 мкм (рис. 1 в, г)). Для ниобия и ванадия в значительной степени изменяется только ширина трещин (для ниобия ширина не превышает 0,2 мкм (рис. 2 в, г), при этом для ванадия не обнаружены трещины шириной более 0,5 мкм (рис. 3 в, г)), длина становится меньше примерно на 15-20%.

Шероховатость поверхности для каждого материала после всех четырех проходов была измерена на профи-лометре. Полученные профилограммы показали, что на первых двух проходах шероховатость для циркония не превышает 3,82 мкм и не меньше 3,08 мкм, для ванадия этот же показатель равен от 2,27дш до 2,57дш, а для ниобия от 2,57 мкм до 2,86 мкм. На третьем и четвертом проходе идет резкое снижение шероховатости от 0,47 мкм до 0,68 мкм для циркония, для ванадия от 0,43 мкм до 0,57 мкм, а для ниобия - от 0,44 мкм до 0,55 мкм.

Рис. 1. Морфология поверхности циркония после электроэрозионной обработки с увеличением в 5000 и в 10 000 крат: а) после одного прохода, б) после двух проходов, в) после трех проходов,

г) после четырех проходов

Рис. 2. Морфология поверхности ванадия после электроэрозионной обработки с увеличением в 5000 крат: а) после одного прохода, б) после двух проходов, в) после трех проходов, г) после четырех проходов

Рис. 3. Морфология поверхности ниобия после электроэрозионной обработки с увеличением в 5000 крат: а) после одного прохода, б) после двух проходов, в) после трех проходов, г) после четырех проходов

ТАБЛИЦА2

ШЕРОХОВАТОСТЬ (ЯА) ЦИРКОНИЯ, НИОБИЯ И ВАНАДИЯ ПОСЛЕ 1 ПРОХОДА, 2 ПРОХОДОВ, 3 ПРОХОДОВ И 4 ПРОХОДОВ

1 проход 2 проход 3 проход 4 проход

гг 3.82 3.08 0.68 0.47

№ 2.86 2.57 0.55 0.44

V 2.57 2.27 0.57 0.43

V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Так как температура плавления материалов различается, то одинаковая энергии импульса приводит к плавлению разного объема металла, который хаотично растекается по поверхности, образуя впадины и наплывы разных форм и размеров, что объясняет различия шероховатости поверхности материалов.

Образование трещин происходит из-за быстрого нагрева поверхности заготовки свыше 5000 °С и быстрого охлаждения до температуры диэлектрической жидкости (20 °С). Вследствие действия термических напряжений происходит растрескивание металла. Существенную роль в образовании трещин также играет наличие впадин, которые являются концентраторами напряжений. Трещины образуют хаотически выстроенную сетку. В случае с цирконием и ниобием трещины пересекаются между собой под разными углами, а в случае с ванадием наблюдается их частое пересечение под прямым углом. Данное наблюдение может свидетельствовать о том, что трещины проходят по границам зерен; для проверки этой гипотезы необходимы дальнейшие исследования.

10№ Х5,000 5цт

20к\/ Х10,000 1нт

/

20кУ Х10,000 1нт 10 50 БЕ! ___

Щ

_ I

20кV Х15,000 1нт 10 50 БЕ!

Рис. 4. Поперечные микрошлифы образцов из циркония: а) после одного прохода, б) после двух проходов, в) после трех проходов, г) после четырех проходов

Исследование поперечных микрошлифов образцов из циркония (рис. 4) показало, что с каждым походом глубина проникновения трещин уменьшается из-за снижения параметров режима обработки. Для первого прохода глубина трещины составила 10,19 мкм (рис. 4 а), для второго прохода 1,7 мкм (рис. 4 б), для третьего 0,8 мкм (рис. 4 в), для четвертого в среднем 0,5 мкм (рис. 4 г).

VI. Выводы и заключение

Электроэрозионная обработка является экономичным методом обработки тугоплавких металлов, однако существует ряд задач, не решенных в полной мере. На основе данных о глубине проникновения трещин можно сделать вывод о необходимости оставления увеличенных припусков для финишной шлифовки или полировки перед использованием изделий по назначению. Необходимы дальнейшие исследования глубины залегания дефектного слоя в зависимости от режимов обработки, для тугоплавких металлов. Такие исследования позволят выявить оптимальные режимы обработки для увеличения скорости реза и позволят сократить толщину дефектного слоя.

Список литературы

1. Sharma P., Chakradhar D., Narendranath S. Evaluation of WEDM performance characteristics of Inconel 706 for turbine disk application // Materials and Design. 2015. Vol. 88. 558-566. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.09.036.

2. Hasgalyk A., Qayda§ U. Experimental study of wire electrical discharge machining of AISI D5 tool steel // Journal of Materials Processing Technology. 2004. Vol. 148, is. 3. 362-367. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2004.02.048.

3. Saxena K. K., Agarwal S., Khare S. K. Surface Characterization, Material Removal Mechanism and Material Migration Study of Micro EDM Process on Conductive SiC // Procedia CIRP. 2016. Vol. 42. P. 179-184. DOI: 10.1016/j .procir.2016.02.267.

4. Dongre G., Zaware S., Dabade U., Joshi S. S. Multi-objective optimization for silicon wafer slicing using wire-EDM process // Materials Science in Semiconductor Processing. 2015. Vol. 39. P. 793-806. DOI: 10.1016/j.mssp.2015.06.050.

5. Lee S. H., Li X. Study of the surface integrity of the machined workpiece in the EDM of tungsten carbide // Journal of Materials Processing Technology. 2003. Vol. 139, is. 1-3. P. 315-321. DOI: 10.1016/S0924-0136(03)00547-8.

6. Williams R., Rajurkar K. Study of wire electrical discharge machined surface characteristics // Journal of Materials Processing Technology. 1991. Vol. 28, Is. 1-2. P. 127-138. DOI: 10.1016/0924-0136(91)90212-W.

УДК 621.515

МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ (ПОМПАЖ) В СИСТЕМАХ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ КОМПРЕССОРАМИ

MODELING OF THE NON-STATIONARY GASDYNAMIC MODES (SURGE) IN SYSTEMS WITH CENTRIFUGAL COMPRESSORS

А. Д. Ваняшов, Г. Г. Кустиков

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

A. D. Vanyashov, G. G. Kustikov

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Предложена методика моделирования нестационарных газодинамических процессов в системах с центробежным компрессором, содержащих короткие трубопроводы, емкости, местные сопротивления. Достоверность предложенной методики подтверждена результатами исследований на экспериментальном стенде с одноступенчатым центробежным нагнетателем.

Ключевые слова: центробежный компрессор, помпаж, сеть, газодинамические характеристики.

DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-46-53

I. Введение

В системах с центробежными компрессорами на определенных режимах работы системы «компрессор-сеть» возможно возникновение режима газодинамической неустойчивости (помпаж), который характеризуется появлением интенсивных пульсаций давления и расхода газа во всей системе. Расход газа через компрессор при этом может изменяться от максимального до минимального, вплоть до отрицательных значений, что вызывает повышенные динамические нагрузки на ротор, опорные узлы и привод компрессора. Всё это приводит к резкому снижению ресурса и надежности компрессора и всей системы в целом. В отдельных случаях интенсивного помпажа возможно даже разрушение машины. Таким образом, обеспечение газодинамической устойчивости систем с центробежными компрессорами является одним из основных условий их надежной работы.