Обеспечение обрабатываемости диэлектрической алюмооксидной керамики при электроэрозионной микрообработке путем применения вспомогательного электрода и ассистирующего порошка

Ибрагим Халед Хамди Мохамед

Обеспечение обрабатываемости диэлектрической алюмооксидной керамики при электроэрозионной микрообработке путем применения вспомогательного электрода и ассистирующего порошка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ибрагим Халед Хамди Мохамед

Ибрагим Халед Хамди Мохамед
кандидат наук
2021

Специальность ВАК РФ00.00.00

Количество страниц 120

Ибрагим Халед Хамди Мохамед. Обеспечение обрабатываемости диэлектрической алюмооксидной керамики при электроэрозионной микрообработке путем применения вспомогательного электрода и ассистирующего порошка: дис. кандидат наук: 00.00.00 - Другие cпециальности. ФГБОУ ВО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН». 2021. 120 с.

Оглавление диссертации кандидат наук Ибрагим Халед Хамди Мохамед

Глава IV

Технологические рекомендации по повышению

производительности электроэрозионной микрообработки

алюмооксидной керамики, как критерия ее обрабатываемости

4.1 Анализ производительности разработанного способа электроэрозионной микрообработки алюмооксидной керамики на основе применения медного вспомогательного электрода

4.2 Анализ производительности разработанного способа электроэрозионной микрообработки алюмооксидной керамики на основе применения никель-хромового вспомогательного электрода

4.3 Анализ зависимости производительности разработанного способа электроэрозионной микрообработки алюмооксидной керамики на основе применения вспомогательного электрода от электрических свойств ассистирующих материалов

4.4 Технологические рекомендации для электроэрозионной микрообработки диэлектрической алюмооксидной керамики на основе применения ассистирующих средств и сравнение производительности различных способов обработки 101 Выводы к Главе IV

Заключение

Список литературы

Актуальность темы исследования. Вопросы микрообработки и текстурирования рабочих поверхностей ответственных машиностроительных изделий из труднообрабатываемых материалов и композитов, в том числе на основе диэлектрической керамики, на протяжении последних лет являются предметом особого внимания и объектом теоретических и экспериментальных исследований ведущих научных групп, как в России, так и за рубежом, о чем свидетельствуют многочисленные публикации. Имеется большой спрос на жесткую, стабильную и биоинертную керамику, благодаря ее исключительным термомеханическим и трибологическим характеристикам, который удовлетворяется в основном наноструктурированными материалами на основе оксидов алюминия и циркония. Из них изготавливаются, в частности, режущий инструмент, шарикоподшипники, уплотнительные элементы и компоненты двигателя, биомедицинские изделия.

Стоит отметить, что изготовление деталей из керамики предполагает обработку большого количества микроструктур, таких как отверстия, каналы и углубления в керамике высокой плотности. Например, это высверливание охлаждающих отверстий в лопатках турбин или компонентах для впрыска топлива, разного рода фильеры для сопел струйных принтеров или устройств для подачи лекарств. Микрообработка поверхностей представляет собой микропрофилирование для создания на поверхностности трехмерного специфического рельефа, размеры и шероховатость которого определяются исходя из особенностей эксплуатации и физико-химических свойств текстурируемого материала. Функциональным назначением указанных микротекстур является, в частности, снижение интенсивности процессов трения, адгезионного схватывания между сопряженными поверхностями, многократное повышение их износостойкости и ресурса работы в условиях действия широкого спектра эксплуатационных нагрузок. Указанное

достигается за счет того, что сформированный микрорельеф способен обеспечивать значительное снижение фактической площади контакта, а также служит в качестве микрорезервуаров для консистентных, микрокапсулированных смазок, антифрикционных материалов и жидкостей, способных длительное время формировать и удерживать антифрикционные пленки между контактируемыми поверхностями изделий.

Традиционно для обработки керамических материалов используются алмазные инструменты. Однако, среди технологий направленного воздействия на поверхностный слой машиностиротельных изделий хорошо известны, например, лазерная, микроабразивная и водоструйная обработки, химико-термическое воздействие. Электроэрозионная обработка поверхности диэлектрических материалов с применением ассистирующих техник относится к перспективным способам текстурирования поверхности изделий. К достоинствам этого метода можно отнести высокую воспроизводимость, точность, возможность обработки сложных поверхностей, высокую локальность и возможность обработки сверхтвердых материалов, для которых традиционные механические методы малоэффективны. Применение электроэрозионного метода позволяет избежать трудоемких и дорогостоящих операций при сохранении высокого качества заготовки. Благодаря удалению материала электрической эрозией на небольшом расстоянии друг от друга (межэлектродный зазор - порядка 0,02 мм) достигается отсутствие физического контакта между инструментом и заготовкой, или в случае использования ассистирующих техник - ассистирующего электрода в виде покрытия или порошка, отсутствует зависимость от механических свойств обрабатываемых материалов, таких как твердость, прочность и хрупкость. Кроме того, возможно увеличение производительности процесса за счет уменьшения времени обработки сложных текстур благодаря возможности использования электродов сложной конфигурации и технологической подвижности электрода-инструмента с точностью до 2 мкм.

Ранее считалось, что электроэрозионной обработке могут быть подвержены материалы с удельным электрическим сопротивлением ниже значения 105 Ом-м. Однако в 1986 году отечественными учеными С.В. Лукашенко, А.В. Ковтуном, П.Н. Дашуком и Б.Н. Соколовым был изобретен и запатентован способ электроэрозионной обработки диэлектриков (Патент №2 1542715, 10.12.1986.). С тех пор способ получил своё развитие, благодаря работам ведущих зарубежных ученых, которые вот уже на протяжении более 10 лет развивают его применение в отношении технической керамики, среди российских ученых, несмотря на то, что способ является чрезвычайно востребованным в части микрообработки и текстурирования поверхности, способ остается не востребованным.

Все это делает разработку современных технологических рекомендаций по повышению производительности электроэрозионной обработки алюмооксидной керамики с применением ассистирующего электрода актуальной и востребованной среди современного научного сообщества и отечественного инструментального производства.

Степень разработанности темы исследования. Повышением производительности электроэрозионной обработки диэлектрических материалов занимаются несколько ведущих научно-исследовательских групп одновременно. Среди них можно отметить наиболее успешные коллективы, такие как:

Такаюки Тани, кафедра машиностроения, Технологический колледж Цукуба, Ибараки (Япония) при содействии с Технологическим университетом Нагаока (проф. Ясуси Фукудзава), г. Ниигата, и Токийским университетом, г. Токио (проф. Наотаке Мохри) (Япония) занимаются последовательно поиском решений электроэрозионной обработки диэлектриков на примере нитридной керамики с использованием ассистирующих Т1К-покрытий, первые публикации в японских научных рецензируемых журналах датированы 1998 годом;

Гохан Кюджуктурк, Совет по научным и технологическим исследованиям Турции, ТУБИТАК, Каваклидере, Анкара и Кан Когун, факультет машиностроения, Университет Гази, Малтепе, Анкара (Турция) провели всеобъемлющее исследование, опубликованное в 2010 году, где экспериментально опробовали метод электроэрозионной обработки диэлектриков с использованием углеродной ленты-покрытия для широкого спектра оксидных керамик, то так и не смогли обосновать природу разрушения и объяснить, почему в некоторых случаях техника дает приемлемый результат, а в случае с алюмооксидной керамикой метод работает лишь частично;

Асиф Рашид, Отдел машиностроения и производства, Университет Майами, Оксфорд (США) и Азат Билал, проф. Асма Первин, Кафедра машиностроения и аэрокосмической техники, Назарбаев Университет, НурСултан (Республика Казахстан) провели и опубликовали ряд работ по поиску решения электроэрозионной обработки алюмонитридной керамики, где в качестве покрытия использовался сэдвич «медь-наночастицы серебра», в качестве ассистирующего порошка наночастицы серебра;

Научная группа под руководством Проф. А. Шуберта, Кафедра технологии микропроизводства, факультет машиностроения, Технологический университет Хемница и Институт станков и технологий формовки им. Фраунгофера (Германия) провели ряд исследований в отношении диоксида циркония с использованием медного электрода-покрытия;

При анализе и систематизации трудов, опубликованных конкурирующими научными группами выявлено, что наименьшее внимание исследователями было уделено алюмооксидной керамике, которая представляет большой интерес для производителей инструментальной керамики благодаря своим превосходным эксплуатационным свойствам, связанным с высокой стойкостью к абразивному износу и низким коэффициентом линейного теплового расширения.

Таким образом, данная работа занимает определенное место в дополнении карты знаний области исследования электроэрозионной обработки диэлектрических материалов и является критической для решения конкретной производственной задачи - текстурирования детали типа режущая пластина.

Цель исследования состоит в обеспечении обрабатываемости за счет повышения производительности процесса электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики на основе применения ассистирующих средств в виде электрода-покрытия и порошкового материала.

Задачи исследования. Научные задачи, которые предполагалось решить при выполнении работы:

1. Выявить и систематизировать существующие сведения и мировой опыт в части обработки диэлектрической материалов электроэрозионным методом с использованием вспомогательных средств.

2. Разработать способ электроэрозионной обработки алюмооксидной керамики с использованием вспомогательного электрода-покрытия и ассистирующего порошкового материала и выявить рациональный способ нанесения электрода-покрытия для применения в отношении алюмооксидной керамики.

3. Выявить закономерности между производительностью электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики с использованием техники вспомогательного электрода и частотой импульсов электрического тока в межэлектродном зазоре, электрическими свойствами материала вспомогательного электрода и концентрацией ассистирующего порошкового материала в межэлектродном зазоре.

4. Продемонстрировать разработанный способ электроэрозионной обработки алюмооксидной керамики с использованием вспомогательного электрода-покрытия и ассистирующего порошкового материала на примере текстурирования пластины из алюмооксидной керамики и сравнить его производительность с существующими способами микрообработки.

Предмет исследования

Предметом исследования является производительность электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики, как критерий ее обрабатываемости, на основе применения вспомогательного электрода-покрытия и ассистирующего порошкового материала.

Научная новизна заключается в:

установлении закономерностей между производительностью электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики с использованием техники вспомогательного электрода и частотой импульсов электрического тока в межэлектродном зазоре, электрическими свойствами материала вспомогательного электрода, концентрацией ассистирующего порошкового материала в межэлектродном зазоре.

разработке способа микрообработки поверхности пластины из диэлектрической алюмооксидной керамики на основе метода электроэрозионной обработки с использованием техники вспомогательного электрода и ассистирующего порошка.

Теоретическая значимость работы заключается в:

Постановке научно-технической задачи по совершенствованию и развитию способа электроэрозионной обработки диэлектрических материалов с использованием ассистирующих средств;

Получении основных зависимостей между варьируемыми факторами обработки, такими как частота импульсов тока, электрические параметры материала ассистирующего электрода, концентрация ассистирующего порошка в зоне обработки и производительностью обработки (скоростью съема материала в единицу времени).

Практическая значимость работы заключается в:

высокоропроизводительному текстурированию поверхности изделия типа пластина, выполненного из диэлектрической алюмооксидной керамики, методом усовершенствованной электроэрозионной обработки.

Разработке и практической реализации способа микрообработки поверхности изделия типа пластина, выполненного из диэлектрической алюмооксидной керамики усовершенствованной электроэрозионной обработкой с применением вспомогательного электрода и ассистирующего порошка.

Методы исследования. Исследования физико-технического процесса электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики выполнены с использованием средств оптической и сканирующей электронной микроскопии, теории электрофизической и электрохимической обработки, и основных положений технологии машиностроения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Способ физико-технической электроэрозионной микрообработки диэлектрической алюмооксидной керамики с наложением физических воздействий в виде применения вспомогательного электрода в виде покрытия и ассистирующего порошкового материала.

2. Продемонстрировано повышение производительности текстурирования поверхности изделия типа пластина изготовленного из диэлектрической алюмооксидной керамики с использованием вспомогательного электрода-покрытия и ассистирующего порошкового материала.

Степень достоверности полученных результатов подтверждается согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также результатами успешной апробации основных положений в рецензируемых научных изданиях и на международных научных конференциях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

2-й Международный саммит по оптике, фотонике и лазерным технологиям (2nd International Summit on Optics, Photonics and Laser Technologies - Optics & Lasers 2021) (Япония, Токио, USG-United Scientific Group, некоммерческая научная организация, 2021);

15-й Международной конференции «Пленки и покрытия - 2021» (15th International conference «Films and Coatings - 2021») (Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО), 2021);

5-й Международной научной конференции «Моделирование нелинейных процессов и систем» (The Modeling of Nonlinear Processes and Systems - MNPS-2020) (Москва, ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН», 2020).

18-й Международной научной конференции «Общество инженеров по фотооптическому приборостроению - Нанонаука и Инженерия. Нанотехнология: изготовление, свойства, оптика, тонкие пленки и устройства» (SPIE Nanoscience + Engineering. Nanoengineering: Fabrication, Properties, Optics, Thin Films, and Devices XVIII) (США, Калифорния, Сан -Диего, SPIE, профессиональное некоммерческое международное объединение учёных, инженеров и студентов в области оптики и фотоники, 2021).

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 2.5.5 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки», в диссертационном исследовании разработаны и структурированы способы экспериментального исследования процессов физико-технической электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики с наложением физических воздействий в виде применения вспомогательного электрода (пункт 2), исследованы физико-технические процессы в целях определения параметров электроэрозионного оборудования, обеспечивающих повышение

производительности электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики на основе применения техники вспомогательного электрода (пункт 3).

Публикации. По теме научного доклада опубликовано 10 статей в журналах, индексируемых в наукометрических базах международного цитирования Scopus и Web of Science, 1 статья в журнале, входящем в Список научных журналов Высшей аттестационной комиссией России, 4 печатных работы на международных научно-технических конференциях, получен патент на изобретение РФ (№ 2751606 C1 от 15.07.2021.).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы из 104. Основное содержание работы изложено на 1 20 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 29 таблиц.

Работа выполнена на кафедре высокоэффективных технологий обработки ФГБОУ ВО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

1.1. Электроэрозионная обработка как метод обработки диэлектрических материалов

В настоящее время существует множество требований к передовым керамическим материалам для промышленного применения, таким как режущие инструменты, аэрокосмическая промышленность, электроника и электротехника, которые были приобретены благодаря преимуществам керамических свойств и возможности ее использования в различных областях. Кроме того, керамика используется в качестве основного материала для производства дизельных сажевых фильтров, баллистической брони, керамических композитных автомобильных тормозов, протезных изделий, компьютерных запоминающих устройств нового поколения и пьезокерамических датчиков. Керамические материалы обладают способностью преодолевать ограничения металла и повышать производительность благодаря своим уникальным свойствам, что позволяет инженерам создавать и вдохновлять в различных областях. Они обладают приемлемыми трибологическими свойствами, такими как коррозионная стойкость и низкое трение, в дополнение к идеальным механическим свойствам, то есть стойкости к высоким температурам, хорошему сопротивлению ползучести, высокой износостойкости, высокой прочности на сжатие, высокой твердости и прочностным характеристикам при повышенных температурах, более сильным электромагнитным помехам. ответ [1]. Другими словами, керамика - идеальная альтернатива металлам в современной промышленности [2].

По мнению S. J. Schneider [3], существуют два основных аспекта работ в области механической обработки и отделки керамики - экономический и

научный. Научный связан с поиском новых знаний, а экономический заключается в том, чтобы модернизировать процессы механической обработки с целью достижения более низкой себестоимости, высокой производительности и отличного качества. Он соотнес базовые знания о керамических материалах с различными процессами их механической обработки и качеством получаемой при этом поверхности.

В то же время, современная обрабатывающая промышленность ориентирована на высокоскоростную обработку при большой значительной стойкости инструмента. Это требует постоянного улучшения механических свойств из-за постоянно повышающихся требований, а с другой стороны усложняющиеся технологические циклы получения таких материалов не должны существенным образом влиять на цену продукции [4]. Выбор материалов для режущего инструмента должен быть совместим с конкретными свойствами для получения оптимальной производительности режущего инструмента с наилучшими результатами. Так, W. Grzesik [5] упомянул подходящие свойства материалов для режущих инструментов и проиндексировал их следующим образом:

1) Механические свойства:

i) Высокая твердость при повышенной температуре.

ii) Высокая стойкость к деформации для предотвращения пластической деформации режущей кромки.

iii) Высокая жесткость для сохранения точности.

iv) Высокая трещиностойкость.

v) Высокая усталостная прочность, позволяющая выдерживать максимальные механические нагрузки.

2) Тепловые свойства:

i) Высокая теплопроводность для отвода температуры от режущей кромки.

ii) Высокая термостойкость.

3) Трибологические свойства:

i) Износостойкость.

ii) Достаточная смазывающая способность для предотвращения налипания на режущую кромку.

4) Химические свойства:

i) Химический состав стабильный. Кроме того, D. E. Whitney [6] добавил другие параметры, которые влияют на режущий инструмент, такие как; мощность машины, диапазон скоростей, жесткость, требования к производительности, стоимость, нагрузка на станки и, оплата труда и накладные расходы.

Керамические режущие инструменты являются идеальным выбором, как показано на рис. 1.1 [5], для обработки труднообрабатываемых материалов и преодоления пределов современных твердых материалов [4].

Алмаз, эльбор

ZrO:

ALO.

ЭШ, Твёрдые сплавы

Керамика с покрытием

Карбидная керамика

Быстрорежущие стали -►

Прочность и долговечность

Рис. 1.1. Взаимосвязь основных свойств материалов для режущего инструмента: горячая твердость и износостойкость - прочность и долговечность [92].

Кроме того, керамика выдерживает высокие температуры обработки с температурой выше 1600 °С без какого-либо химического разложения [7].

Усовершенствованные керамические режущие инструменты используются для повышения производительности режущего инструмента. Основными процессами изготовления керамического режущего инструмента являются спекание горячим прессованием и искровое плазменное спекание [4]. Керамический режущий инструмент - идеальное решение для обработки суперсплавов, чугуна и труднообрабатываемых материалов [5].

Помимо керамики на основе 7Ю2, Дж. Чжао [8] разделил керамические типы на следующие четыре основные категории:

• Керамика на основе SiзN4.

• Керамика на основе А1^3.

• Керамика на основе сиалона.

• Металлокерамические инструментальные материалы.

Что касается керметов, керамика считается основным элементом в составе керметов, поскольку керамика составляет около 70% керметов, а остальное -карбид титана и другие добавки [9]. Многие типы керамики зависят от оксида алюминия А1^3 как основной основы для обработки сверхвысокопрочных сталей [10]. Материалы из глинозема обладают уникальными свойствами и высокой твердостью. Следовательно, их можно использовать для производства режущих инструментальных материалов. Однако хрупкость и плохая устойчивость к повреждениям ограничивают применение глиноземной керамики [11]. Чтобы лучше понять свойства керамических типов, в Таблице 1.1 показаны свойства различных типов керамики.

Как правило, природа керамических материалов обеспечивает уникальные свойства режущим инструментам из керамики. По сравнению с твердосплавными инструментами керамические режущие инструменты обладают сравнительно высокой твердостью, стойкостью к коррозии и адгезионному износу [13], кроме того, керамика демонстрирует высокую прочность, высокую скорость резания, чрезвычайно высокую стойкость к образованию трещин и абразивному износу [14].

Свойства АЬО 3 81С 81з№ Частично стабилизированны й ZrO2 8Ю2

Сопротивление поперечному разрыву, (МПа)

Прочность на сжатие, (МПа)

модуль эластичности, (ГПа)

Твёрдость, (НК)

коэффициента Пуассона, и

Физически е свойства Плотность, (Кг/м3)

Теплопроводност ь (вт/м/К)

коэффициент теплового расширения (м/м/К) 9.0 х 10-6 4.6x10 -6 3.2x10 -6 10.6х10-6

удельная теплоёмкость (дж/ Кг/ К)

С другой стороны, в керамике проявляются низкая вязкость, низкая

стойкость к термическому и механическому удару [8], хрупкость и низкая величина поперечного разрушения [14]. Эти особенности ограничивают производство керамических режущих инструментов, и требуется разработка уникальных технологических процессов, позволяющих производить керамические режущие инструменты.

Характеристики режущего инструмента существенно влияют на процесс обработки. Дизайн, геометрия, тип, стойкость инструмента и материал режущего инструмента являются важными параметрами, которые напрямую

влияют на стоимость и качество продукта. Развитие разрезаемого материала связано с разработкой материала режущего инструмента, особенно материала карбида керамики, благодаря его высоким свойствам и режущим характеристикам. Режущие инструменты из карбида и керамики обладают высокой твердостью и лучшей износостойкостью, поэтому они играют важную роль в процессе высокоскоростной обработки суперсплавов [15].

Производство керамики, как и керамических режущих инструментов, неизбежно представляет собой актуальную научно-технологическую задачу. Сверление сквозных и глухих отверстий, пазов, канавок, сложных форм и всех форм операций механической обработки в керамических материалах чрезвычайно сложно производить с помощью обычных методов обработки [1]. К сожалению, эти свойства керамики и требования к ее производству показывают, что изготовление керамики - сложный и трудоёмкий процесс [2]. Обработка керамики с помощью традиционных методов обработки страдает несколькими ограничениями, высокими усилиями резания и высокой скоростью износа, чтобы выполнить изготовление чистой формы в дополнение к низкой скорости съема металла (М^), что обуславливает высокую стоимость [12]. Действительно, это связано с производственной стоимостью и ограничивает доступные методы изготовления, как следствие применения керамики. В результате развиваются процессы обработки керамики [2]. Кроме того, получение керамики мелких форм без микротрещин затруднено, особенно традиционными методами [1]. Токарная обработка, фрезерование, шлифование и другие подобные процессы сталкиваются с проблемами обработки керамики в дополнение к таким ограничениям, как высокий износ инструмента, высокие силы резания и вибрация [12]. Чтобы идти в ногу со временем технологий и проблем производства керамики, нетрадиционные методы являются идеальным решением [1] из-за их уникального механизма удаления материала [2].

Существует три основных типа нетрадиционных операций обработки по механизму удаления металла; типы индексируются следующим образом [2]:

• Механизм химического удаления.

Независимо от возможностей и типа механизма, два типа могут использоваться в гибридной форме для достижения требуемых условий [2].

В настоящее время наблюдается стремительный рост науки о свойствах материалов и процессов резания, поэтому предлагаются инновационные методы и процессы для повышения производительности резания [17]. Таким образом, больше внимания уделяется бесконтактной обработке; в частности, отсутствие каких-либо сил резания в бесконтактных процессах, а также признание хрупкости керамических материалов. Одним из таких бесконтактных процессов является электроэрозионная обработка (ЭЭО), которая в своё время произвела революцию в технике удаления материалов благодаря запатентованной разработке советских ученых Б.Р. и Н.И. Лазаренко [104].

Электроэрозионная обработка - один из инновационных методов, который представляет собой нетрадиционный процесс механической обработки для термического удаления материалов с помощью искры [18]. Это процесс обработки электропроводящих материалов с использованием точно контролируемых искр, возникающих между электродом и заготовкой в присутствии диэлектрической жидкости. Это тепловой процесс, при котором материал детали удаляется за счет тепла, возникающего при прохождении электрического тока между электродом и изделием в виде искр [19]. Это безабразивная технология используется для обработки токопроводящей керамики, такой как карбид бора (В4С) и карбид кремния ^Ю). Этот метод не зависит от твердости материала, но требует удельного электрического сопротивления менее 100 см2 [20].

Электроэрозионная обработка обладает огромным потенциалом из-за различных применений, и успешно коммерчески используется в современных отраслях промышленности для обработки отверстий, внешних форм,

профилей или полостей в электропроводящих деталях посредством контролируемого применения высокочастотных электрических разрядов позволяющих сублимировать материала заготовки в определенной области под воздействием импульсов тока [21]. Форма, обработанная методом электроэрозии полностью соответствует зеркальной геометрии электрода [22]. В настоящее время электрическая эрозия материалов используется в биомедицине, авиакосмической промышленности, машиностроении и приборостроении.

Возможности процесса электроэрозионной обработки включают в себя способность обрабатывать трудно поддающиеся резке проводящие материалы и создавать сложные геометрические формы без явления механических напряжений в зоне обработки [18]. Электрод-инструмент отличается простотой в изготовлении, и способен обработать заготовку любой твердости вне зависимости от собственных механических свойств (например, сатль обрабатывается латунью, медью). Сложные формы легко получаются без ограничений при обработке суперсплавов или карбидов [8]. Отсутствие сил резания в электроэрозионном станке в основном связано с отсутствием контакта между электродом и деталью, что более важно, с помощью этого процесса можно изготавливать любые сложнопрофильные формы. Универсальные преимущества электророзионной обработки, такие как обработка трехмерных сложных форм и труднообрабатываемых материалов независимо от их твердости [23], благодаря природе механизма удаления материала, который зависит в большей степени от электрических свойств материала. С другой стороны, производительность электроэрозионных станков относительно невысока из-за естественных законов электрической эрозии [24].

Высокая температура вызывает удаление материала из заготовки, такая температура создается разрядом высокой интенсивности. В результате теплового механизма происходят процессы плавления и испарения [13]. Согласно Хофи (Но!у) [17], подходящие параметры для выполнения процесса

электроэрозионной обработки рассматриваются следующим образом: величина напряжения от 20 до 120 В, частота около 5 Гц, зазор между двумя электродами от 0,01 до 0,5 мм. Форма импульсов тока и напряжения показана на рис. 1.2 в случае использования RC-генератора. При этом между электродом и заготовкой нет физического контакта, поэтому в зоне обработке отсутствуют как таковые силы резания и сопутствующие им особенности механической обработки. Зазор между электродом и деталью существует, чтобы поддерживать условия возникновения разряда (искры), вследствие чего материал удаляется термически. Частотный диапазон искр от 2 103 до 5 -104 с-1 [19]. Температура плазмы при этом может достигать 1 • 104 К [86-89].

(а) (б)

Рис. 1.2. Форма импульса в процессе электроэрозионной обработки; (а) Импульсный ток с использованием генератора постоянного тока, (б) Напряжение с использованием ЯС-генератора [17]

1.2 Особенности обработки поверхности диэлектрических материалов методом электроэрозионной обработки.

Традиционно, электроэрозионная обработка - это хорошо известная технология изготовления сложных конструкционных деталей из электропроводящих материалов с высокой точностью размеров и хорошим качеством поверхности [35]. Этот метод известен своей способностью изготавливать мелкоразмерные элементы и миниатюрные компоненты [22]. Существует два типа технологических факторов или входных параметров,

влияющих на производительность: электрические и неэлектрические. Электрические факторы включают напряжение разряда, полярность, ток разряда, форму и длину импульса, скважность. К неэлектрическим факторам относятся интенсивность промывки, скорость возвратно-поступательного движения и угол конусности [26,27]. Измеренные характеристики, связанные с условиями обработки и свойствами заготовки называются параметрами или выходными параметрами. L. Selvarajan [29] назвал входные параметры условиями обработки, а выходные - параметрами отклика. Выходные или ответные параметры также могут быть электрическими и неэлектрическими, например, количество импульсов индуцированного разряда и количество эффективных разрядных импульсов, определенных посредством датчика виброкустического сигнала [36]. Скорость удаления материала, скорость износа инструмента и шероховатость поверхности являются значимыми выходными параметрами для описания эффективности электроэрозионной обработки, износа электрода-инструмента и качества поверхности после обработки. Скорость удаления материала может быть описана объемом или массой материала, удаляемого из заготовки в течение определенного времени обработки [26,37].

Рассматривают два типа природы удаления материала, происходящих при электроэрозионной обработке. Первый (высокотемпературный) связан с сублимацией материала с поверхности под действием импульсов разряда [22], а второй (плазмохимический) - с химическим взаимодействием компонентов электродов в разрядном промежутке [37]. Это заметно, например, при обработке антикоррозийной хромоникелевой стали латунной проволокой, когда за счет активного взаимодействия никеля и цинка происходит образование интерметаллидных соединений /пЫ^ (х = 0, 5, 10, 15, 20 мас.%) [38,103]. Другой пример - взаимодействие церия из порошковой вспомогательной добавки CeO2 с цинком из латуни [39,40,92]. Некоторые авторы отмечают, что природа разрушения связана с механическим сколом, интенсивность которого зависит от свойств обрабатываемых материалов [41].

Однако скалывание, вероятно, связано со следствием достижения высоких температур в разряде в межэлектродном промежутке и высоких скоростей охлаждения и действительно может являться одним из основных механизмов удаления материала при эрозионном износе под действием импульсов разряда.

W. Chang с коллегами [31] изучали обработку проводящей керамики на основе Al2O3 электроэрозионным фрезерованием композита, состоящего из AI2O3 - 80%, TiC - 11% и WC - 9%. Они показали, что при слабом электрическом разряде материал удаляется путем скола и плавления, но в интенсивном электрическом разряде материал удаляется путем плавления и испарения (сублимации). Отсутствие фазы плавления при электрической эрозии материала под действием разрядных импульсов показывает способность углерода в виде графита подвергаться обработке разрядными импульсами. Однако известно, что углерод не существует в жидкой фазе при нормальном давлении. Наличие следов плавления может быть результатом теплового воздействия разрядов и активных химических взаимодействий при образовании интерметаллидных соединений, хотя этот процесс не является основным механизмом удаления материала.

C. S. Trueman с коллегами [32] использовали уникальную технику обработки современных керамик, таких как Сиалон-TiN и SiC-TiB2, путем погружения в электрический разряд. Они применяли режим, который вызывает скол из-за теплового воздействия вместо обычного способа электроэрозионной обработки, основанного на электрической природе разрушения заготовки, которая больше связана с явлениями сублимации [22]. Изучалась скорость удаления материала и исследовались полученные трещины. Высокоэнергетические разряды (дуговые разряды) способствовали образованию областей скола, в которых поверхностные слои керамики высвобождались в виде крупных чешуек в результате разрушения, вызванного тепловым ударом. При этом использование проводящего карбидного керамического порошка для обработки непроводящей керамики дало видимые результаты, имеющие отличную от электроэрозионной природу. Авторы

представили также неверное представление о природе явлений в зоне обработки, связанных с "плавлением, диссоциацией и испарением". Авторы показали, что если теплопередача при электрическом разряде достаточно интенсивна, крупномасштабный скол может быть вызван для обеспечения более быстрого и эффективного режима обработки керамики разрушении тепловым ударом. Количество энергии, необходимое для образования подповерхностных трещин и удаления материала с поверхности путем поддельного отрыва меньше, чем требуется для удаления материала непосредственно через механизмы плавления и испарения (фактически, прямая сублимация) или диссоциации (химическая реакция), что делает удаление материала путем контролируемого скола привлекательным предложением. Однако удаление материала путем скола керамики не может происходить за счет электрической эрозии материала, а происходит в результате перегрева поверхностных и подповерхностных слоев и химических процессов окисления и перекристаллизации.

Сообщается, что при использовании электроэрозионной обработки для обработки керамики она вызывает снижение прочности при изгибе и увеличение шероховатости поверхности, образует зону термического воздействия и рекристаллизации. Для ZrO2 этот эффект утраивается, а для SiзN4 эффект удваивается [42]. Шероховатость увеличивается с увеличением тока и длины импульса, тем самым меньший ток вызывает меньшую шероховатость поверхности [43-45]. Процессы обработки, основанные на электрических разрядах, обещают быть эффективными и экономичными методами обработки проводящей керамики, электрическое удельное сопротивление которой ниже порога перколяции [46]. Как правило, наиболее значимыми параметрами, влияющими на производительность электроэрозионной обработки, являются пиковый ток и длина импульса. Меньший ток и большая скважность приводят к лучшей шероховатости поверхности [47].

Современные ученые делят основные технологические факторы, влияющие на результаты электроэрозионной обработки, на четыре основные группы [36,48].

• Факторы, связанные с материалом электродов (однородность, проводимость инструмента и заготовки, термостойкость компонентов материала);

• Факторы, связанные с окружающей средой (температура, теплопроводность, теплоемкость диэлектрика, степень ионизации, химический состав, степень погружения заготовки в жидкость);

• Факторы, связанные непосредственно с процессом обработки и контролируемые системой ЧПУ (напряжение, сила рабочего тока, вспомогательное напряжение, сила вспомогательного тока, частота рабочего и вспомогательного импульсов, скорость подачи или перемотки электрода, интенсивность промывки искрового зазора);

• Факторы, связанные с технологическими особенностями обработки (форма заготовки, сложность обрабатываемой поверхности, стратегия обработки).

Все эти факторы влияют на стабильность электроэрозионной обработки. Качество обрабатываемой поверхности можно контролировать путем измерения конечной геометрической точности, шероховатости, микротвердости, изменения химического состава в подповерхностном слое (до глубины 4-10 мкм), однородности обрабатываемой поверхности и отсутствия видимых дефектов, которые могут влиять на внешний вид и функциональность конечного изделия [41,49].

Если сравнить обработку керамики с другими материалами, то для случая обработки титана установлено, что скорость удаления материала колеблется от 10-3 до 5*10-3 гмин-1, скорость износа инструмента колеблется от 7*10-6 до 2х10-3 гмин-1, а шероховатость поверхности колеблется от 2,9 до 5,8 мкм. Скорость эрозии увеличивается с увеличением тока за счет подачи большего количества тепловой энергии в межэлектродный зазор. Оптимальная скорость

удаления материала 5 х 10-3 г мин-1 наблюдается при токе 15 А и продолжительности импульса 100 мкс, оптимальная скорость износа инструмента 7х10-6 гмин-1 достигается при токе 6 А и импульсе 1000 мкс, а оптимальная шероховатость поверхности 2,9 мкм достигается при токе 6 А и импульсе 25 мкс [26].

Обработка проводящих керамик Al203-TiCN и ZrO2-TiN показывает износ инструмента в четыре раза ниже, чем при обработке стали. В то время как в случае микрообработки материал убирается со скоростью 0,02 - 0,2 мм3 мин-1 в диапазоне низких и средне-высоких энергий [50].

L. Selvarajan [29] исследовал параметры электроэрозионной обработки проводящих образцов Si3N4-TiN медным электродом в качестве инструмента. Показано, что ток, длительность импульса и напряжение искрового промежутка являются наиболее значимыми параметрами. Когда ток, напряжение зазора, длительность импульса, скважность увеличиваются, а интенсивность промывки уменьшается, получается самое высокое значение скорости удаления материала, однако это означает низкую точность и высокую шероховатость поверхности.

S.S. Habib [22] экспериментально и теоретически исследовал обработку Al203-SiC заготовок с четырьмя разными объемными долями карбида кремния в алюмооксидной матрице с помощью электроэрозионной обработки. Получены следующие результаты: скорость удаления материала и износ инструмента возрастают, когда длительность импульса, ток, и напряжение в зазоре увеличиваются. Скорость удаления материала уменьшается при снижении доли SiC. Шероховатость поверхности увеличивается при увеличении процента SiC, длины импульса, тока и напряжения.

W. Li [39] эмпирически исследовал зависимость между потреблением энергии и скоростью удаления материала. В качестве электродов использовались графит и медь, а в качестве заготовок - сталь и алюминий. Показано, что можно предсказывать скорость удаления материала с ошибкой, не превышающей 10%.

Х.-К. Уоо [27] сравнивал микроэлектроэрозионную обработку и YN-SiC (72,6мас.% Р^С, 7,6 мас.% полисилоксана, 4,3 мас.% фенольной смолы и 15,5 мас.% нитрида иттрия) керамики и стали SUS304 (аналог 08Х18Н9). Для обоих материалов были посчитаны количество коротких замыканий, время обработки, скорость удаления материала, размер искрового зазора и размеры частиц шлама. Определено, что количество коротких замыканий для YN-SiC было больше, чем для стали SUS304 из-за низкой проводимости полученной керамики. Из-за большого размера частиц шлама для керамики YN-SiC время ее обработки было короче, чем для SUS304, когда энергия разряда была больше на 10 мкДж.

Характер электрической эрозии и следующие за ней явления сублимации материала с образованием наномодифицированного поверхностного и подповерхностного слоев, микроструктура, химический состав и механические свойства поверхности заготовки изменяются вместе с материалом заготовки [22]. Толщина метаморфного слоя увеличивается с увеличением импульсного тока от 5 до 25 А [61-63], однако эти результаты были получены для стали и медного электрода. В случае обработки керамики А12О3-ТЮ30% латунной проволокой в воде имеем толщину, так называемого, белого слоя около 4,0-4,5 мкм и 4,5 - 4,8 мкм при ее обработке в углеводородном масле [49].

Поверхность заготовки насыщается углеродом независимо от материала электрода инструмента, если углерод присутствует в диэлектрической среде. Поверхностный слой обычно состоит из хрупких амфотерных оксидов [92].

При электроэрозионной обработке обычных металлов и сплавов в деионизированной воде подача углеродного порошка эффективно создает аустенитную фазу внутри белого нетравящегося приповерхностного слоя. При этом было обнаружено, что вновь образовавшиеся фазы внутри этого слоя создают остаточные напряжения [52,53] (рис. 1.3).

Рис. 1.3. СЭМ-изображение, показывающее распределение химических элементов в приповерхностном слое деталей из электролитического хрома после электроэрозионной обработки [92]

B. Ekmekci [41] исследовал такие остаточные напряжения в белом слое стали после обработки в керосине и деионизированной воде медным и графитовым инструментом при таких же технологических условиях. Слой остаточного аустенита возникал на поверхности обрабатываемых материалов из-за науглероживания графитовым инструментом в присутствии деионизированной воды. Остаточные напряжения увеличивались с увеличением толщины белого слоя. Белый слой шириной от 4 до 10 мкм, состоящий из тугоплавких амфотерных оксидов с нанопористой структурой, образовывался на заготовке из чистого хрома [54].

A. Banu [44] исследовал скорость удаления материала и твердость приповерхностного белого слоя непроводящего оксида циркония после микроэлектроразрядной обработки вольфрамовым электродом-инструментом и медным вспомогательным электродом в углеводородной жидкости. Показано, что чем ниже напряжение в зазоре, тем тверже модифицированный слой. С увеличением содержания углеродных компонентов в разрядном промежутке твердость слоя увеличивается.

Электроэрозионная обработка успешно реализуется для однофазной керамики, керметов и керамо-матричных композитов до тех пор, пока они имеют удельное электрическое сопротивление ниже 100-300 Омсм [55]. Непроводящая керамика, такая как глинозем (А1203), нитрид алюминия (АШ), нитрид кремния ^^N4) или оксид циркония (7Ю2), не отвечают минимальным требованиям к электропроводности (102 Омсм). Чтобы повысить электропроводность такой диэлектрической керамики вводятся вторичные электропроводящие составляющие [56].

Рисунок 1.4. Электропроводность керамических материалов и композитов на

их основе.

Добавление в непроводящий состав таких фаз, как ТЮ, Т^СЩ позволяет обрабатывать керамику. Добавляя карбид переходного металла к высокоэффективному керамическому материалу, можно получить композит, сочетающий хорошую электропроводность карбида (р = 102 - 106 мкОмсм) с

высокой прочностью и износостойкостью [57]. Твердость по Виккерсу и трещиностойкость композитов увеличивались с добавлением ТЮ в A12O3-TiC-композиты, содержащие 30 и 40 об.% ТЮ. Композит с 40 об.% ТiC показал наибольшую прочность на изгиб (687±39 МПа), трещиностойкость (7,8±0,4 МПам1/2) и твердость (22,3± 0,3 ГПа) при однородном распределением второй фазы внутри керамической матрицы [58].

Следует отметить, что проводники имеют удельное электрическое сопротивление р менее 10-5 Омм, так как удельное электрическое сопротивление диэлектриков превышает 108 Ом м. Образцы спеченной керамики Al2O3+TiC вполне пригодны для электроэрозионной обработки, так как величина удельного электрического сопротивления для такой проводящей керамики с 30 об.% TiC близка к значению для углерода в виде графита (8-106 Ом м) [59,60]. Введение 30-40 об.% TiN в Si3N4 не только способствует электроэрозионной обработке, так как резко снижает удельное электрическое сопротивление (~ 10-3 Омсм) этого композита, но и повышает механические свойства, например вязкость разрушения, прочность и износостойкость [61]. Таким образом, для придания технической керамике электропроводности могут быть использованы несколько механизмов: естественная электропроводность, вызванная наличием свободных электронов, легирование проводящими элементами или примесными атомами [62]. На рис. 1.4 показана электропроводность различных видов керамики.

S. Lopez-Esteban [63] предложил электропроводящий однородный и плотный нанокомпозит керамика/полупроводник/металл, созданный методом горячего прессования. М. Миш et а1. [50] добавили ТЮ к окиси циркония и исследовали обработку 7ТА-ТЮ керамики электроэрозионным сверлением. Изучалось влияние на скорость удаления материала энергии разряда, формы импульсов, величины пикового тока и длительности импульса. Обнаружено, что треугольный импульс с амплитудой тока 20 А дает лучший результат, чем такой же прямоугольный импульс.

Диэлектрическая керамика не может быть обработана традиционным электроэрозионным методом из-за ее высокого удельного электрического сопротивления. Для ее сублимации требуются большие мощность импульса и плотность энергии [64-69]. Однако обработка диэлектрической керамики доступна и возможна с помощью вспомогательной электродной техники.

Этот метод реализуется путем приклеивания или нанесения электропроводящих материалов, как показано на рис.1.4, к поверхности обрабатываемой заготовки. Эта пленка играет роль вспомогательного электрода. Именно она, работая инициатором электрических разрядов, зажигает их в области межэлектродного пространства, где основной электрод выполнен из проводящего материала, а заготовка представляет собой изолирующую керамику, покрытую проводящим слоем, а между ними находится диэлектрическая среда в виде газа, жидкости [70] или нано-жидкости [39]. Процесс осуществляется в углеводородном масле или воде. Разряды генерируются непрерывно, образуя электропроводящий слой из шлама в искровом промежутке [35].

При использовании вспомогательных электродов разряды возникают, благодаря проводящим частицам, введенным в межэлектродный зазор или образовавшимся при электрической эрозии (проводящий шлам). Из-за возникновения проводящих продуктов эрозии следующие разряды позволяют получить условия в межэлектродном промежутке, инициирующие сублимацию не только материалов электродов, но и изолирующей керамики [71]. Таким образом, можно получить изделия достаточно сложной формы из диэлектрической керамики, такой как Si3N4, А1203, АШ и 7Ю2. Скорость

Рис. 1.4. Схема вспомогательного электрода [53]

-- Непроводящая

керамика

Ч_I I_)

Рис. 1.5. Схема обработки с использованием вспомогательного электрода на проволочном электроэрозионном станке [53].

Замечено, что в осциллограммах последовательностей импульсов наблюдаются фактические импульсы тока с большей длительностью, чем заданные оператором, поскольку длительность разряда зависит от электрической проводимости на поверхности керамики [73]. Распределение длительности разряда, измеренное для обработки Si3N4, SiC и показано на Рис

Следует отметить, что количество эффективных разрядных импульсов составляет от 70 до 90% [36]. Эффективность процесса резко падает с ростом объема шлама в межэлектродном зазоре. Что особенно заметно при обработке материалов с низкой или пороговой проводимостью, когда своевременная промывка затруднена из-за геометрии рабочей зоны или по причине меньшего межэлектродного зазора. Энергия при этом расходуется не только на электроэрозию материалов заготовки и инструмента, но и на разрушение продуктов эрозии. Такого рода импульсы называются холостыми [43,57]. В нормальных условиях энергия разрядных импульсов пропорциональна эффективному разрядному току.

80

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение обрабатываемости диэлектрической алюмооксидной керамики при электроэрозионной микрообработке путем применения вспомогательного электрода и ассистирующего порошка»

Длительность им пульса, мкс

Рис.1.6. Развитие разряда при электроэрозионной обработке диэлектрической керамики [26].

При исследовании электроэрозионной обработки непроводящей керамики 7г02 методом вспомогательных электродов было выявлено, что сначала часть материала удаляется за счет скола и только потом за счет плавления и испарения [24]. Вероятно, что это предположение не совсем верно, так как в первый момент обработки характер поведения материала в присутствии разрядов и низкотемпературного плазмообразования будет определяться сублимацией [25] (рис. 1.7).

В статье D. Напаока [74] упоминалось, что для керамики с проводимостью ниже 4*10-2 С м-1 с увеличением пикового тока и

Рис.1.7. СЭМ-изображения обработанного изоляционного 7Ю2: а) материал удаляется в основном путем скалывания, б) небольшое количество материала удаляется прямой сублимацией материала и его осаждением на поверхности заготовки [91].

Лучшие результаты были получены при длительности импульса импульса 20-30 мкс, при этом обработка была стабильной, и получалась меньшая шероховатость поверхности. Скважность не являлась доминирующим фактором для увеличения скорости обработки, но влияла на точность обработки [26]. Скорость удаления материалов 7Ю2 и А1203 с использованием наклеенной на заготовку медной фольги также повышалась с увеличением пикового тока и длительности импульса. Кроме того, скорость реза увеличивалась с пиковым током, но уменьшалась с длительностью импульса [74]. Однако, когда длительность импульса превышала 200 мкс, скорость износа инструмента при обработке А1203 демонстрировала обратную тенденцию: скорость износа незначительно увеличивалась при длительности импульса более 200 мкс. Шероховатость реза увеличивалась с увеличением пикового тока и длительности импульса. Кроме того, шероховатость поверхности керамики А1203 после электроэрозионной обработки была выше, чем для керамики 7г02 при идентичных условиях обработки. Особенности термических сколов керамики в случае А1203 были более грубыми, чем у 7г02.

H. Gotoh [75] использовал уникальную методику обработки диэлектрической керамики Si3N4 электроэрозионным фрезерованием, заключающуюся в том, что импульсный разряд генерировался на время, превышающее длительность импульса. Таким образом, на изолирующей керамической поверхности создавался электропроводящий слой, обеспечивающий процесс обработки.

А. Shubert экспериментально исследовал параметры обработки упрочненного оксида алюминия-циркония ZrO2-Al2O3 (ATZ) и упрочненного нитрида титана-нитрида кремния (Si3N4-TiN). Максимальная глубина отверстия составила 731 мкм для ATZ и 605 мкм для Si3N4-TiN. Поскольку Si3N4-TiN разлагается при высокой температуре в разрядном промежутке, он проявляет особое абляционное поведение, которое позволяет обрабатывать материал со скоростью удаления вдвое большей по сравнению с ATZ. Это коррелирует также с тем, что при обработке в масле Si3N4-TiN разлагается на проводящие карбиды (TiC, SiC), а цирконий и алюминий образуют проводящий ZrC и непроводящий пиротехнически активный Al3C4 [56,60]. Образовавшийся карбид алюминия может активно препятствовать обработке, изменяя электрические условия разрядного промежутка, так как углеводородное масло имеет лучшую проводимость (1,9-4,3 См в зависимости от чистоты масла), чем диэлектрическая керамика (менее 10-4 См) [49]. Скорость удаления материала увеличивается за счет увеличения мощности.

H. Zheng [57] разработал способ обеспечения импульсных генераторов самоадаптирующейся регулировкой напряжения для обработки диэлектрических материалов методом электроэрозионной обработки. Он продемонстрировал, что такой импульсный генератор может улучшить энергетику и гибкость разряда. N. Ojha [58] контролировал прохождение электрических сигналов при обработке медью непроводящей керамики Si3N4. Были исследованы сигналы от искрового разряда и тока. Показано, что наиболее заметным было значительное снижение амплитуды сигнала

Метод вспомогательного электрода в основном зависит от предварительного покрытия изолирующей керамической детали электропроводящей пленкой. Существует несколько типов покрытия для выполнения процесса, таких как вспомогательный медный электрод [58], серебряный лак [59], углеродный проводящий слой [51] и медная фольга методом PVD-покрытия. В Таблице 1.2 представлены свойства медной фольги. [56]. Медь вспомогательного электрода легко удаляется с керамической поверхности после обработки [50]. Используя тонкий медный лист, расположенный близко к поверхности изолирующей керамики в качестве вспомогательного электрода, изолирующую керамику можно легко обработать электроэрозионным фрезерованием [52].

Таблица 1.2. Свойства медной фольги.

Наименование свойства Описание

Толщина фольги, мм 0,035

Толщина адгезионного слоя, мм 0,025

Суммарная толщина, мм 0,06

Адгезия к стали, Н/см 4,5

Прочность на разрыв, Н/см 40

Температурная устойчивость, °С -20 до 155 и выше

Электрическое сопротивление через адгезионный слой, Омсм 0,003

Для создания начального слоя используется обычный серебряный лак с содержанием серебра 45%, который наносится кистью. После высыхания равномерность формирования слоя проверяется путем измерения сопротивления с помощью мультиметра Fluke. Толщина слоя примерно 20 мкм. Когда первый слой подвергается эрозии, на заготовке создается проводящий восстановленный слой, видимый в виде черных участков поверхности. Это может быть связано с термическим расщеплением молекул

углеводородного масла плазменными разрядами. Детальный состав этого второго слоя все еще исследуется; однако в случае механической обработки непроводящей керамики из диоксида циркония считается, что 7гС может производиться в условиях высокой температуры и давления, когда имеют место разряды. Частицы углерода осаждаются на поверхности и создают новый проводящий слой, проникая в тонкий осажденный слой, а также в материал заготовки [59].

При использовании вспомогательного электрода, нанесенного методом трафаретной печати при обработке непроводящего карбида кремния, процесс вначале характеризовался как нестабильный и требовал корректировки параметров процесса и геометрии инструмента. Авторы обнаружили, что причина нестабильной обработки может быть связана с чрезмерным образованием углеродосодержащих продуктов эрозии. Модификация двух факторов - тока и частоты делались для уменьшения количества карбонизированных продуктов в межэлектродном промежутке. Средняя толщина составила 24 мкм со стандартным отклонением 1,6 мкм для углеродосодержащих продуктов эрозии и покрытий. Модификация геометрии инструмента была сделана для улучшения условий промывки. Процесс показал свою эффективность до максимальной глубины обработки 500 мкм [60].

Известно несколько типов покрытий на заготовки для выполнения электроэрозионной обработки диэлектриков, таких как медный вспомогательный электрод [27], серебряный лак [34], углеродный (графитовый) проводящий слой [31] и медное покрытие, нанесенное методом плазменного осаждения из паровой фазы (таблица 1.3). Медь вспомогательного электрода может быть легко удалена с керамической поверхности после обработки [80]. Диэлектрическая керамика может быть подвергнута электроэрозионному фрезерованию с использованием тонкого медного листа [33] или комбинированным (электроэрозионным и электрохимическим) методом.

тип вспомогательного электрода НН О СЙ к Диэлектрическая жидкость заготовка

материа л тощина, мкм форма способ нанесен ия я 1 5 инр 1 3 * м о э способ обработки материал рез

медь

Си[33] Нет данны х лист нет данных сталь ЭЭ фрезерование водная эмульсия А12 03 нет данны х

Си[74] Нет данны х фольга клей Нет данных ЭЭО керосин А12 032г 02 нет данны х

Си[32] 60 мкм фольга клей медь, 5х5 мм ЭЭО керосин А12 03 92% 1.5 мм

Си[27] 150 мкм трехслойн ая медная лента клей медь, вольфра м,0600 мкм микро-ЭЭО минеральн ое масло АШ 0.7 мм за 2 часа

Си[81] 60 мкм фольга нет данных вольфра м, 0800 мкм микро-ЭЭО синтетичес кое масло 2г02 92% 150х 150 мкм

Cu[82] 60 мкм фольга клей медь, 3х3 мм ЭЭО керосин, минеральн ое масло 2г02 92% 3х3 мм

Серебро

Ag[34] 20 мкм лак (кисть) клей WC- 6%Со 0115 и 500 мкм микро-ЭЭО минеральн ое масло, вращение электрода 2г02 с У20 3 240 мкм

Ag[31] 20 мкм лак (кисть) клей WC- 6%Со 0115 и 500 мкм микро-ЭЭО минеральн ое масло 2г02 10% А12 03 500 мкм за 45 мин

Ag[31] 20 мкм лак клей WC- 6%Со 0115 и 500 мкм микро-ЭЭО минеральн ое масло 4т 500 мкм за 1 час

Ag[27] нет данны х Двойной слой краски с нано- диффузионный отжиг, ппп Оп медь-вольфра м 0600 мкм микро-ЭЭО минеральн ое масло АШ 700 мкм за 10 часов

комбинация медь-серебро

Ag-Cu [27] нет данны х два слоя лака, мед- диффузи -онный отжиг, медь-вольфра м микро-ЭЭО Минеральн ое масло с нано- АШ 1.7 мм за

ная лента сверху 900 ОС, 1 час 0300 мкм частицами Лв (100 мг/л) 150 мин.

Лв-Си [30] нет данны х проводящий лак, медная лента клей проволо ка высокос коростна я ЭЭО Керосин 2г02 Фини шная обработка повер хност и

Графит

Графит [26] нет данны х полимер с графитов ым порошко м клей, сушка 150 ОС медная трубка 03.5хО.2 5 ЭЭО керосин с порошком графита 7-10 г/л Л12 Оз 5 мм за 240 мин

Графит [26] 400900 мкм полимер с графитов ым порошко м клей, сушка 150 ОС медная трубка 03.5хО.2 5 ЭЭО керосин с порошком графита 7-10 г/л 2г02 3.5 мм за 60 мин

Графит [26] 400900 мкм полимер с графитов ым порошко м клей, сушка 150 ОС медная трубка 03.5хО.2 5 ЭЭО керосин с порошком графита 7-10 г/л 2г02 с У2О 3 5 мм за 1200 мин

Графит [26] 300800 мкм полимер с графитов ым порошко м клей, сушка 150 ОС медная трубка 03.5хО.2 5 ЭЭО керосин с порошком графита 7-10 г/л ИО2 5 мм за 60 мин

Графит [26] нет данны х полимер с графитов ым порошко м клей, сушка 150 ОС медная трубка 03.5хО.2 5 ЭЭО керосин с порошком графита 7-10 г/л В4С проводник 5 мм за 125 мин

Графит [26] нет данны х полимер с графитов ым порошко м клей, сушка 150 ОС медная трубка 03.5хО.2 5 ЭЭО керосин с порошком графита 7-10 г/л Б1С проводник 5 мм за 200 мин

Графит [26] нет данны х полимер с графитов ым порошко м клей, сушка 150 ОС медная трубка 03.5хО.2 5 ЭЭО керосин с порошком графита 7-10 г/л Стек ло 5 мм за 100 мин

Следует отметить, что наилучшие результаты достигаются при сочетании 7г02 с углеводородным маслом. Сочетание материалов образует проводящий

7гС с той же проводимостью, что и чистый 7г [38]. Обработка оксида алюминия пока еще представляет собой нерешенную научную проблему, связанную с высокой электроотрицательностью алюминия, который очень активен и образует непроводящие карбиды, ошибочно названные пиролитическим углеродом [30].

1.5 Способ повышения производительности электроэрозионной обработки диэлектриков с применением ассистирующего порошкового материала.

Для повышения производительности, диэлектрическая жидкость прокачивается через центр вращающегося цилиндрического электрода, в случае полого электрода, под высоким давлением. Иногда также используется вращающийся электрод (супер-дрель для прошивки отверстий). Оба параметра улучшают круглость и цилиндричность отверстия, а также улучшают промыв продуктов эрозии со дна глубоких отверстий [86]. Используются и другие типы диэлектрической жидкости, например, биодизель. Это положительно влияет на скорость съема материала и уменьшают скорость износа электрода инструмента по сравнению с широко используемым керосиновым диэлектриком. При сравнении биодизеля с другими диэлектрическими жидкостями с низкой вязкостью, биодизельное топливо дешевле и доступнее, поэтому оно экономически, коммерчески целесообразно, кроме того положительно влияет на производительность обработки [87].

Для повышения производительности электроэрозионной обработки изоляционной керамики используется порошковое смешанное рабочее масло, которое улучшает дисперсию разряда и соответствующим образом регулирует соотношение образования углеродного слоя и количество удаляемого слоя [88]. Экспериментально было обнаружено, что концентрация частиц, размер

частиц, плотность частиц, удельное электрическое сопротивление и теплопроводность порошков являются важными характеристиками, которые существенно влияют на производительность электроэрозионной обработки [26,27]. Правильное добавление порошков в диэлектрическую жидкость увеличивало скорость съема материала и, таким образом, уменьшало скорость износа электрода [89,90]. В тех же экспериментах по концентрации частиц наименьший размер взвешенных частиц приводил к наибольшей скорости съема материала и, таким образом, наименьшему износу электрода-инструмента [62].

При добавлении порошка карбида тантала (ТаС) к диэлектрику при электроэрозионной обработке непроводящей керамики 7гО2 оптимальные значения составляли 94,39 В и 6,28 г / л соответственно для получения минимальной шероховатости поверхности при микро-электроэрозионной обработке 7гО2 [33]. При электроразрядной обработке в диэлектрике смешанным с нанопорошком (NPMEDM), порошок добавляется в диэлектрик, чтобы увеличить искровой промежуток между электродами, таким образом увеличивая количество искр низкой интенсивности [96,97]. Впоследствии оба основных выходных параметра: скорость съема материала и качество поверхности были улучшены [49]. Размер (от микро до нано) и свойства смешанного порошка также влияют на эффективность обработки [63].

В случае добавления порошка А1203 в масло при обработке сплава 1псопе1 825 скорость съема материала увеличивается на 18,69% в сравнении с традиционной электроэрозионной обработкой [64], тогда как качество поверхности улучшается на 10,19% [49]. Здесь стоит отметить, что А1203 не проводит ток, и во время реакции сублимированного А1 и С из масла (масло с содержит преимущественно С, О, Н) с выделением тепла образуется взрывчатый осадок карбида А1 [92,102,103]. С другой стороны, добавление смешанного нанопорошка А12О3 к деионизированной воде при электроэрозионной обработке сплава 1псопе1 825 улучшает скорость съема

материала до 47 мг / мин при минимальной шероховатости Ra 1,487 мкм, по сравнению с традиционной обработкой [99,100].

Порошки А1 обеспечивают самый большой искровой разряд, за ним следовали Сг, затем SiC, а порошки Си давали наименьший размер [62]. Более того, Сг обеспечивает наибольшую скорость съема материала, за ним следуют А1 и SiC соответственно. Процесс электроэрозии без добавок и с медными порошками продемострировал самые низкие показатели. Добавление порошков 70-80 нм к диэлектрику давало наименьшее увеличение искрового промежутка, затем следовало 10-15 мкм, при этом 100 мкм давали наибольшее значение, помимо наибольшую скорость съема материала, затем следовал размер частиц 10-15 мкм, при этом частицы в 100 мкм давали наименьшее значение.

Н. ВаБеп е1 а1. [65] исследовали влияние добавления нанопорошка ТЮ2 и вращательного инструмента на процесс электроэрозионной обработки. Они показали, что сочетание нанопорошка и ротационного вращения инструмента одновременно может повысить эффективность. Увеличение скорости вращения до 200 об / мин приводит к тому, что центробежная сила уводит продукты эрозии из межэлектродного зазора, и скорость съема матриала увеличивается. Однако увеличение скорости вращения более 200 об / мин создает пузыри и уменьшает скорость съема материала. Считается, что высокая скорость приводит к увеличению трения между жидким диэлектриком и инструментом, и износ электрода-инструмента увеличивается.

Добавление порошка ТЮ2 до 1 г / л увеличивает скорость съема материала из-за увеличения межэлектродного зазора и облегчения вытеснения продуктов эрозии из межэлектродного промежутка [65]. При увеличении количества порошка ТЮ2 после 1 г / л между частицами порошка возникает явление образования перемычек, что увеличивает количество аномальных импульсов. что снижает скорость съема материала. Однако чистое время обработки сокращается из-за появления перемычек, и, таким образом,

уменьшается скорость износа электрода-инструмента. С другой стороны, увеличение концентрации порошка облегчает вытеснение продуктов эрозии из межэлектродного зазора и предотвращает осаждение продуктов эрозии на поверхности заготовки. Кроме того, движение порошка в зазоре выполняет также функцию полировки, улучшающий качество поверхности.

Магнитное поле 0,38 Тл легче отделяет шлам от обрабатываемого зазора, увеличивает скорость съема материала и износ электрода-инструмента, улучшает шероховатость поверхности [101,102]. Существуют и другие техники повышения производительности, которые доказали и показали свою эффективность, например, ультразвуковая интенсификация процесса [92].

Керамические материалы - значительный и важный выбор для режущих инструментов и деталей машин. Были продемонстрированы все аспекты, влияющие на характеристики керамики. Обработка керамики обычными методами обработки - трудоемка, поэтому электроэрозионная обработка с ее преимуществами является идеальным выбором для обработки керамики высокой твердости. Сравнение обработки керамики и различных материалов показало, что возможность обработки керамики с помощью электроэрозионных процессов не является препятствием. Процесс электроэрозионной обработки зависит от электрических свойств материалов электродов и заготовки. Т.к. природа оксидной керамики не является электропроводящей, то для ее обработки используются методы преобразование электрических свойств межэлектродного зазора путем добавления проводящих материалов, помимо изучения техники вспомогательных электродов. Техника вспомогательного электрода расширяет возможности обработки изоляционной керамики. Было продемонстрировано добавление частиц нанопорошков к диэлектрику для повышения производительности процесса электроэрозионной обработки также положительно влияет на скорость износа материала и шероховатость заготовки.

1. Нюансы электроэрозионной обработки каждого непроводящего материала зависят от множества факторов, где теплопроводность, проводимость при повышенной температуре, запрещенная зона, химическая активность по отношению к другим компонентам, температура плавления и сублимации для каждого материала в межэлектродном промежутке оказывают свое влияние.

2. Есть не менее трех технологических приемов, позволяющих проводить электроэрозионную обработку ряда диэлектриков. Это использование вспомогательного электрода и добавление ассистирующего порошка или проводящих добавок в диэлектрическую среду.

3. Электроэрозионная обработка керамики связана с термодеструкцией материалов при высоких температурах, связанных с образующейся низкотемпературной плазмой (порядка 10 000 °С) между первичным электродом и вспомогательным электродом, нанесенным на диэлектрик в виде покрытия, пленки, фольги, вспомогательного порошка или проводящих добавок.

ГЛАВА П. Разработка способа электроэрозионной обработки алюмооксидной керамики с использованием вспомогательного электрода-покрытия и ассистирующего порошкового материала.

2.1 Анализ микроструктуры и физико-механических свойств диэлектрической алюмооксидной керамики с использованием сканирующей электронной микроскопии.

Физико-механические свойства диэлектрической алюмооксидной керамики были изучены стандартными методами (Таблица 2.1). Исследуемые образцы имели поперечное сечение 10х10 мм и длину около 50 мм.

Таблица 2.1. Физико-механические свойства образцов диэлектрической алюмооксидной керамики

Физико-механические свойства Значения

Температура плавления (°С) 2050

Теплопроводность(Вт/мК) 8,4

Плотность (кг/м3) 3890

Удельное сопротивление (Ом/см) > 1014

Твердость по Виккерсу (ГПа) 22,8

Модуль упругости (ГПа) 310 - 410

Предел прочности при изгибе (МПа) 343

Трещиностойкость (МПа м1/2) 3,1

Измерения плотности образцов проводили в дистиллированной воде (керамические пластины кипятились в течение 5 часов и затем вымачивались 24 часа) с использованием принципа Архимеда и сравнивали с теоретическими значениями (3,89 г/см3 для А1203 и 5,68 г/см3 для 7Ю2). Плотность А1203 составила 99.2±0.2 %, плотность 7г02 - 99.7±0.2%.

Рештеноструктурный анализ образцов на дифрактометре Empyrean (PANalytical, Нидерланды) при использовании трубки с медным анодом не обнаружил ни загрязнения другими фазами, ни следов прохождения каких-либо побочных реакций при спекании.

а б в

Рис. 2.1 Микроструктура образца алюмооксидной керамики (а) по месту разлома; (б) полированная поверхность; (в) трещина вдавливания Виккерса,

индуцированная на поверхности.

Структура образцов изучалась на сканирующем электронном микроскопе VEGA3 (Tescan, Brno, Чешская Республика). Анализ полученных снимков показывает, что в обоих образцах присутствовала мелкозернистая структура (Рис. 3.1). Разлом образцов производился механически, при этом потребовалось приложение значительных и многократных усилий. Поперечные сечения образцов были подготовлены на оборудовании ATM Machine Tools (ATM Machine Tools Ltd., Вокингем, Великобритания). Место механического разрушения образца из оксида алюминия характеризуется равномерностью разрушения при прохождении объемной трещины.

Химический анализ образцов по месту разлома соответствовал заявленному химическому составу керамики. Данные энергодисперсионного анализа приведены в Таблице 2.2. Контроль электрического сопротивления

образцов проводился на основе данных импеданса, измеренных LCR-метром (а1 Мек ЬСЯ-8105а диапазон 20 Гц- 5 МГц).

Таблица 2.2. Химический анализ образца диэлектрической алюмооксидной керамики по месту разлома.

Химические элементы (атом.%)

0 А1 2г

62,6 37,4 -

2.2 Комплексный подход для разработки усовершенствованного способа электроэрозионной микрообработки диэлектрической алюмооксидной керамики.

Для повышения производительности электроэрозионной обработки диэлектрической керамики было предложено комбинировать различные способы для перехода к интегрированной системе, что позволило получить наилучшую производительность процесса от каждого его элемента, в то время как каждый из них дополняют возможности друг друга (Рис.2.2).

Было принято решение проводить обработку алюмосодержащей керамики обработку в водной среде. При анализе соответствующей литературы было выявлено, что производители оборудования не рекомендуют обрабатывать алюмосодержащие материалы в углеводородах, так как при обработке образуется диэлектрический карбид алюминия.

В качестве вспомогательного электрода апробировались медь, серебро, хромоникелевый жаропрочный сплав, алюминий. Выбор материала электрода-покрытия был обусловлен успешными результатами исследований в отношении меди и серебра, их высокой удельной электропроводности, в то же время хромоникелевый сплав и алюминий предложены в качестве альтернативных материалов электродов-покрытий, также демонстрирующих высокую удельную электропроводность.

При разработке технологии обработки керамик следует учесть, что продукты эрозии, а также приповерхностный слой обработанного изделия, формируются непосредственно из компонентов керамик, диэлектрической среды и дополнительного электрода в присутствии тепла. При этом необходимо учесть, что формирование некоторых химических веществ в виде нерастворимого или пиротехнически опасного осадка, а также газа, могут иметь катастрофические последствия для оборудования и персонала. В некоторых случаях получающиеся продукты эрозии могут иметь свойства несовместимые с понятием техники безопасности. Поэтому необходимо тщательно анализировать состав всех используемых основных и вспомогательных материалов перед проектированием условий обработки новых диэлектрических материалов [53,54].

Рис. 2.2. Интегрированная система для электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики.

Согласно [44,55,56] для электроэрозионной обработки в масле с вспомогательным покрытием из переходных металлов подходят лучшим образом титан и хром, позволяющие получить в качестве продуктов эрозии

проводящие вещества, которые могут способствовать более плотной эрозии в зоне обработки. При обработке в воде рациональным будет использование серебра, золота, алюминия в качестве вспомогательного электрода. Связано это с тем, что алюминий инертен к воде, серебро и золото не формируют устойчивых к высоким температурам соединений, а образующийся оксид является проводником.

Диэлектрическая жидкость также играет одну из важных ролей при электроэрозионной обработке диэлектрической керамики. Обзор показал, что хотя большая часть опубликованных работ по электроэрозионной обработке диэлектрической алюмооксидной керамики проводилась с использованием керосина или минерального масла [57,58], обработка оксида алюминия в воде не должна спровоцировать появления новых химически активных веществ в зоне обработки.

Существуют различные виды электродов-инструментов для вырезки электроэрозионным методом. Методология выбора предлагает широкий спектр вариантов от производителей инструмента для точного решения в соответствии с научными и технологическими задачами. Латунь была выбрана как наиболее распространённый материал электрода-инструмента, который обладает не только высокой электропроводностью за счет содержания меди, но и прекрасными прочностными свойствами в отличии от податливой меди за счет содержания цинка (CuZn35). При этом в экспериментах планировалась опробовать альтернативный материал электрода-инструмента - вольфрам, к сожалению, обладающий определенной хрупкостью, но в сочетании с высокой жаростойкостью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ибрагим Халед Хамди Мохамед, 2021 год