Исследование влияния режимов проволочно-вырезной электроэрозионной обработки на морфологию, шероховатость и трещинообразование поверхности тугоплавких металлов

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА МАШИН

УДК 621.9.048.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ПРОВОЛОЧНО-ВЫРЕЗНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА МОРФОЛОГИЮ, ШЕРОХОВАТОСТЬ И ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE WEDM ON MORPHOLOGY, ROUGHNESS AND CRACKING OF

SURFACES REFRACTORY METALS

Н. В. Бобков, А. А. Федоров, Д. А. Полонянкин, А. И. Блесман, А. С. Демин, Д. Б. Рейтер

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

N. V. Bobkov, A.A. Fedorov, D. A. Polonyankin, A. I. Blesman, A. C. Demin, D. B. Reyter

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Цирконий, ниобий и ванадий обладают высокой стоимостью, что обусловливает актуальность проблемы экономичной обработки и минимизации отходов при производстве изделий из этих тугоплавких металлов. Целью данной работы является исследование качества поверхностного слоя после проволочной электроэрозионной обработки (ПЭЭО). Для достижения цели необходимо изучить морфологию, а также трещинообразование в поверхностном слое на примере тугоплавких металлов, таких как цирконий, ниобий и ванадий. Исследования поверхностного слоя производились методами растровой электронной микроскопии и профилометрии. В статье представлены результаты исследования влияния режимов ПЭЭО на морфологию, шероховатость, а также трещинообразование поверхности циркония, ниобия и ванадия. Отмечено, что тугоплавкие металлы обрабатываются хуже, чем стали, медные и алюминиевые сплавы, хотя по морфологии обработанной поверхности практически ничем от них не отличаются.

Ключевые слова: тугоплавкие металлы, цирконий, ниобий, ванадий, электроэрозионная обработка, поверхность, трещины, дефектный слой.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-148-154

I. Введение

Как известно, традиционные методы механической обработки не всегда подходят для производства изделий из тугоплавких металлов. Высокая стоимость тугоплавких металлов обусловливает необходимость минимизации количества отходов при их обработке. Добиться этого можно, уменьшив ширину реза, тем самым уменьшив количество стружки. Хорошие результаты в решении этой проблемы были достигнуты на проволочном электроэрозионном станке, так как при диаметре проволочного электрода 0.2 мм ширина реза не превышает 0.3 мм. Однако производители оснащают свои станки набором режимов обработки только для наиболее распространенных материалов (стали, медные и алюминиевые сплавы, графит, твердые сплавы на основе карбида вольфрама). При обработке металлов, не входящих в базу данных станка, в том числе при обработке циркония, ниобия и ванадия, возникает необходимость экспериментального подбора соответствующих режимов. Обработка материалов на режимах, не являющихся оптимальными для каждого конкретного металла или сплава, сопряжена с рядом проблем. При завышенных режимах инструмент, например, латунная проволока, рвется, при этом увеличивается время обработки, а при заниженных режимах уменьшается скорость обработки, что также приводит к увеличению машинного времени и, как следствие, росту стоимости детали.

Одним из главных критериев качества обработки деталей является чистота их поверхностного слоя. Многие исследователи изучают процесс электроэрозионной обработки. Например, для определения оптимальных режимов обработки в работе [1] проводится моделирование процесса ПЭЭО сталей некоторых марок. Как отмечается в работе [2], эрозионная стойкость зависит от теплофизических свойств материалов (чем выше энтальпия металла, тем медленнее происходит его обработка).

Исследователи, изучающие морфологию поверхности тугоплавких материалов, обработанных электроэрозионным методом, в первую очередь отмечают наличие трещин на них. Так, например, автор работы [3] описы-

вает ПЭЭО карбидов вольфрама с содержанием оксидов циркония, поверхность которых после обработки электроэрозионным методом становится менее прочной на изгиб вследствие растрескивания (до обработки 1536±131МПа, после обработки 926±160МПа). В работе [4] также установлено, что при обработке циркониевой керамики происходит снижение ее прочности на изгиб. При этом использование финишной полировки обеспечивает восстановление исходных свойств, что косвенно подтверждает влияние наличия трещин в поверхностном слое материалов на их прочностные характеристики.

Как установлено в работе [5], уменьшение прочности на изгиб связано с образованием трещин, которые появляются из-за того, что остаточные напряжения превышают прочность материала на разрыв. В исследовании [6] сообщается, что для обработанных методом ПЭЭО поверхностей характерно наличие диффузионных слоев, образующихся в результате перемещения расплавленного металла. Высокая скорость охлаждения приповерхностных слоев обусловливает образование микротрещин из-за термонапряжений, возникающих в ходе ПЭЭО металлических и керамических материалов. По мнению авторов работы [7], образование трещин происходит благодаря действию термонапряжений, превышающих предел прочности материала, а также из-за его пластической деформацией в ходе ПЭЭО. Установлено, что некоторые трещины образуются в нижней части кратеров и направлены в радиальном направлении, в то время как другие трещины могут быть направлены параллельно поверхности. В исследовании [8] установлено, что плотность трещин увеличивается с ростом энергии и продолжительности импульса, а также напряжения.

В работе [9] выделены зоны деформации, способствующие образованию трещин. Вместе с тем в исследовании [10] растрескивание объясняется вытягиванием зёрен в направлении сдвига и образованием ламеллярной, а не равноосной структуры.

В работе [11] установлено, что для некоторых металлов глубина насыщенного трещинами дефектного слоя превышает ширину диффузионного слоя. Это свидетельствует о снижении степени трещинообразования по мере увеличения теплопроводности обрабатываемого материала.

Как установлено авторами работы [12] в ряде случаев трещинообразование приводит к увеличению адгезии обработанной поверхности к наносимому на нее покрытию, что используется в стоматологии при изготовлении зубных протезов.

Как показывает литературный обзор, значительное внимание уделяется исследованию качества поверхности материалов при их электроэрозионной обработке, что обуславливает актуальность данного исследования.

II. Постановка задачи

Задачей данной работы является исследование морфологии и шероховатости поверхности, а также трещинообразования при проволочной электроэрозионной обработке циркония, ниобия и ванадия. Для выполнения поставленной задачи необходимо изготовить образцы из циркония, ниобия и ванадия, обработанные в один, два, три и четыре прохода. После изготовления образцов, необходимо провести исследования поверхности методами растровой электронной микроскопии и профилометрии.

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 кр H On Off

1-й проход 60 2.3 0.106 00.8 0.14

2-й проход 55 2.1 0.031 00.2 0.11

3-й проход 45 1.1 0.011 00.1 0.01

4-й 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.

Экспериментально подобранные параметры режимов обработки обеспечивают стабильность обработки без обрывов проволоки. 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 про-филометре приборе TR-220 (TimeGroup) на базовых длинах 0.8 и 0.25 мм.

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА Анализ микрофотографий поверхности циркония, ниобия и ванадия после ПЭЭО позволяет сделать вывод о том, что поверхностный слой обработанных металлов обладает характерной для металлических материалов морфологией и практически не отличается от морфологии сталей, медных и алюминиевых сплавов (рис. 1-3).

В ходе ЭЭО в момент искрового разряда из заготовки выбивается микрообъем расплавленного металла с образованием микрократера. Выплеснувшийся материал хаотично растекается по поверхности и застывает. После ЭЭО в поверхностном слое циркония, ниобия и ванадия трещины наблюдаются после каждого прохода.

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. 1а, б; рис. 3а, б), в то время как для ниобия (рис. 2а, б) данный параметр не превышает 0.5 мкм. Протяженность трещин для каждого из материалов различается (для циркония от 3 до 15 мкм (рис. 1а, б), для ниобия от 8 до 25мкм (рис. 2а, б), а для ванадия от 5 до 30 мкм (рис. 3а, 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. 1в, г). Для ниобия и ванадия в значительной степени изменяется только ширина трещин (для ниобия ширина не превышает 0.2 мкм (рис. 2в, г), при этом для ванадия не обнаружены трещины шириной более 0.5 мкм (рис. 3в, г), длина становится меньше примерно на 15-20%.

Шероховатость поверхности для каждого материала после всех четырех проходов была измерена на профи-лометре (табл. 2). Полученные профилограммы (рис. 4-6) показали, что на первых двух проходах Ra для циркония не превышает 3.82 мкм и не меньше 3.08 мкм, для ванадия этот же показатель равен от 2.27 мкм до 2.57 мкм, а для ниобия от 2.57 мкм до 2.86 мкм. На третьем и четвертом проходе идет резкое снижение шероховатости от 0.68 мкм до 0.47 мкм для циркония, для ванадия от 0.57 мкм до 0.43 мкм, а для ниобия от 0.55 мкм до 0.44 мкм.

Рис. 1. Морфология поверхности циркония после электроэрозионной обработки с увеличением в 5000 и в 10000 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: после А) одного прохода, Б) после двух проходов, В) после трех проходов, Г) после четырех проходов

ТАБЛИЦА2

ШЕРОХОВАТОСТЬ ЦИРКОНИЯ, НИОБИЯ И ВАНАДИЯ ПОСЛЕ ОДНОГО ПРОХОДА, ДВУХ ПРОХОДОВ, ТРЕХ ПРОХОДОВ И ЧЕТЫРЕХ ПРОХОДОВ

1-й проход 2-й проход 3-й проход 4-й проход

Zr 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

Рис. 4. Профилограммы циркония: А) после одного прохода, Б) после двух проходов, В) после трех проходов,

Г) после четырех проходов

Рис. 5. Профилограммы ниобия: А) после одного прохода, Б) после двух проходов, В) после трех проходов, Г)

после четырех проходов

Рис. 6. Профилограммы ванадия: А) после одного прохода, Б) после двух проходов, В) после трех проходов, Г) после четырех проходов

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 и отверстий, 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 зёрен, для проверки этой гипотезы необходимы дальнейшие исследования.

В работе [13] установлена максимальная глубина слоя циркония, в котором возможна идентификация диффундировавшей из проволоки меди. Максимальная глубина слоя составила: для первого прохода - 15 мкм; для второго - 8 мкм; для третьего - 5 мкм и для четвертого - 2 мкм. Последующие исследования показали, что для ниобия и ванадия результаты являются аналогичными. Следует отметить, что в данной работе не учитывалась взаимосвязь глубины трещин и ширины диффузионного слоя, который можно удалить посредством финишной

механической обработки (например, шлифованием или полированием). Проведенный литературный обзор показал необходимость учета названной взаимосвязи для каждого из обрабатываемых металлов. Вместе с тем трещинообразование при ПЭЭО может способствовать повышению адгезии поверхностей, для которых не предполагается использование в условиях повышенных знакопеременных нагрузок.

ш

А

10kV Х5,000 5pm

11 50 SEI

Г

Рис. 7. Поперечные микрошлифы образцов из циркония: А) - после одного прохода, Б) - после двух проходов, В) - после трех проходов, Г) - после четырех проходов

Б

Б

Исследование поперечных микрошлифов образцов из циркония (рис. 7) 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. 7а), для второго прохода 1.7мкм (рис. 7б), для третьего 0.8 мкм (рис.7в), для четвертого в среднем 0.5мкм (рис. 7г).

VI. Выводы и заключение

Электроэрозионная обработка является экономичным методом обработки тугоплавких металлов. 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. Финишная обработка поверхностей, подвергнутых ПЭЭО, особенно актуальна в тех случаях, когда изготовленные данным методом изделия будут функционировать в условиях значительных механических воздействий. Это обусловливает необходимость дальнейших исследований поверхностей циркония, ниобия и ванадия после ПЭЭО для назначения конкретных режимов шлифования или полирования.

Список литературы

1. Barenji R. V., Pourasl H. H., Khojastehnezhad V. M. Electrical discharge machining of the AISI D6 tool steel: Prediction and modeling of the material removal rate and tool wear ratio // Precision Engineering. 2016. Vol. 45. P. 435-444.

2. Sharakhovsky L. I., Marotta A., Essiptchouk A. M. Model of workpiece erosion for electrical discharge machining process // Applied Surface Science. 2006. Vol. 253, P. 797-804.

3. Malek O., Vleugels J., Perez Y., Baets P. De, Liu J., Berghe, S. Electrical discharge machining of ZrO 2 toughened WC composites // Materials Chemistry and Physics. 2010. Vol. 123(1). P. 114-120.

4. Fukuzawa Y., Mohri N., Gotoh H., Tani T. Three-dimensional machining of insulating ceramics materials with electrical discharge machining // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009. Vol. 19. P. 150-156.

5. Ekmekci B., Tekkaya A. E., Erden A. A. Semi-empirical approach for residual stresses in electric discharge machining (EDM) // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2006. Vol. 46(7-8). P. 858-868. D01:10.1016/j.ijmachtools.2005.07.020.

6. Klocke F., Schneider S., Ehle L., Meyer H., Hensgen L., Klink A. Investigations on Surface Integrity of Heat Treated 42CrMo4 (AISI 4140) Processed by Sinking EDM // Procedia CIRP. 2016. Vol. 42. P. 580-585. D0I:10.1016/j.procir.2016.02.263.

7. 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(1-3). P. 315-321. D0I:10.1016/S0924-0136(03)00547-8.

8. Hasgalyk A., £ayda§ U. Experimental study of wire electrical discharge machining of AISI D5 tool steel // Journal of Materials Processing Technology. 2004. Vol. 148(3). P. 362-367. D0I:10.1016/j.jmatprotec.2004.02.048.

9. Greene. Electro-Erosion of Metal Surfaces // Science. 1974. Vol. 5 (March). P. 695-706. D0I:10.1007/BF02644666.

10. Marashi H., Jafarlou D. M., Sarahan A. A. D., Mardi N. A. Employing severe plastic deformation to the processing of electrical discharge machining electrodes // Precision Engineering. 2016. D0I:10.1016/ j.precisioneng. 2016.05.012.

11. Antar M. T., Soo S. L., Aspinwall D. K., Jones D., Perez R. Productivity and workpiece surface integrity when WEDM aerospace alloys using coated wires // Procedia Engineering. 2011. Vol. 19. P. 3-8. D0I:10.1016/j.proeng.2011.11.071.

12. Rona N., Yenisey M., Kucukturk G., Gurun H., Cogun C., Esen Z. Science Direct 0riginal article Effect of electrical discharge machining on dental // Journal of Prosthodontic Research. 2016. P. 1 -10. D0I:10.1016/j.jpor.2016.07.006.

13. Bobkov N. V., Fedorov A. A., Blesman A. I., Postnikov D. V., Polonynkin D. A. Wire electrical discharge machining of E110 zirconium alloy // Journal of Physics: Conf. Series. 2017. Vol. 858. P. 12005. DOI :10.1088/1742-6596/858/1/012005.

УДК 621.95.025

ВЛИЯНИЕ ФОРМ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОДТОЧКИ ПОПЕРЕЧНОЙ РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ НА ТОЛЩИНУ СРЕЗА ПО ДЛИНЕ РЕЖУЩИХ КРОМОК СПИРАЛЬНОГО СВЕРЛА

INFLUENCE OF FORMS AND GEOMETRIC PARAMETERS OF THE SUBSTRATE OF THE TRANSVERSE CUTTING EDGE ON THE THICKNESS OF THE SIZE BY THE LENGTH OF THE CUTTING EDGES OF THE SPIRAL DRILL

Е. В. Васильев, Д. С. Макашин, И. К. Черных

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

E. V. Vasil'ev, D. S. Makashin, I. K. Chernykh

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В настоящее время существует проблема сверления глубоких отверстий в труднообрабатываемых материалах при изготовлении авиа- и ракетно-космической техники. В данной работе рассматриваются вопросы повышения эффективности сверления отверстий за счет подтачивания поперечной режущей кромки сверла. Определяется изменение толщины среза и геометрических параметров при сверлении сверлами с подточками поперечной режущей кромки различной формы. Определено, что положительный передний угол вдоль поперечной режущей кромки, полученный при круговой подточке, обеспечивает стабильность процесса резания и самоцентрирование спирального сверла в отверстии.

Ключевые слова: режущая кромка спирального сверла, круговая подточка, самоцентрирование, сверление глубоких отверстий, углы режущей части.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-154-162