книги / Технология электроэрозионной обработки

ляется зона со структурой, резко отличающейся от исходной [10]. Белый слой, как правило, имеет мелкозернистую структуру, обладающую высокой химической стойкостью, что затрудняет ее выявление путем травления. На микрошлифах этот слой имеет вид белых полос, откуда они получилсвоеназвание (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Схематическое расположение зон поверхностного слоя после ЭЭО

Вбелом слое легко образуются сплавы компонентов материала

сматериалом электрода-инструмента и элементами рабочей жидкости, а также карбиды и окислы.

При обработке стали на мягких режимах (при Wи < 0,1 Дж и tи < 100 мкс) белый слой располагается на поверхности заготовки отдельными участками толщиной от нескольких до 40–50 мкм и длиной до 250–260 мкм. Размеры оплавленных участков, образовавшихся при обработке различных сталей, неоднородны, зависят от многих факторов (главным образом от свойств РЖ, ЭИ, ЭД и особенно от режимов обработки). На грубых режимах белый слой может сплошь покрывать обработанную поверхность.

В работе [15] проведен металлографический анализ поверхности образцов стали 65Г после полной закалки и среднего отпуска, обработанных на максимальном (рис. 1.12, а), среднем (рис. 1.12, б) и минимальном режимах (рис. 1.12, в) на электроэрозионном станке

21

Ecocut. Анализ проводили на световом микроскопе Olympus GX 51 при увеличениях до 1000 крат; оценку глубины слоя и частоты пробоев проводили на образцах размером 20×20 мм.

Белый слой

50 мкм

а

50 мкм

Сердцевина

б

Пробой

50 мкм

в

Рис. 1.12. Поверхностный слой стали 65Г после электроэрозионной обработки: а – максимальный режим; б – средний режим; в – минимальный режим

22

Поверхностный слой стали 65Г после электроэрозионной обработки с максимальным режимом качественно и количественно отличается от поверхностного слоя после обработки с минимальным режимом тем, что в первом случае белый слой более глубокий и на поверхности наблюдаются рыхлые наросты (табл. 1.3).

Такой слой покрывает всю поверхность, а пробои и нарушения сплошности практически не наблюдаются. В случае минимального режима белый слой имеет частые пробои по глубине, превышающие слой, а сам белый слой выглядит равномерным по толщине без выраженных рыхлых наростов.

Показано, что наибольшая глубина белого слоя достигнута в случае максимального режима.

Используя современные технологии и оборудование, процесс образования белого слоя можно свести к минимуму или исключить полностью.

1.5.4. Зона термического влияния

Зона термического влияния значительно превышает по размерам белый слой (см. рис. 1.11). На структуру рассматриваемой зоны оказывают влияние материал обрабатываемой заготовки, его исходное состояние, свойства рабочей среды, а также режимы обработки. Глубина структурных изменений определяется толщиной слоя металла заготовки, температура в которой превышает температуру структурных изменений. В первом приближении глубину Нт зоны термического влияния можно определить исходя из следующих соображений. Теплота, выделяющаяся при электрическом разряде, проникает в обрабатываемую заготовку на глубину Н0 [10]:

23

H0 40 atи ,

где tи – длительность импульса, мкс; а – коэффициент температуропроводности, см2/с.

После удаления микропорции металла объемом, ограниченным размерами единичной лунки глубиной hл, величина Нт будет определяться выражением

Hт Н0 hл.

На мягком режиме обработки зона термического влияния имеет малые размеры, что обусловливает близкие по величине высокие скорости охлаждения всех участков рассматриваемой зоны. В итоге при обработке стали У10 импульсами энергии Wи < 10–3 Дж в зоне термического влиянияобразуетсямелкозернистаямартенситная структура.

Отмечено, что при обработке стальных деталей и использовании малых tи и Wи в углеродсодержащих рабочих жидкостях мелкозернистая мартенситно-тростниковая структура образуется независимо от исходной твердости обрабатываемой детали [10]. С ростом tи (при соответствующем увеличении Wи) картина изменяется: растет толщина рассматриваемой зоны, различные ее участки начинают охлаждаться с существенно отличающимися друг от друга скоростями, что обусловливает образование разнообразнейших структур металла.

При обработке стали импульсами Wи = 10–2…10–3 Дж толщина зоны термического влияния возрастает. После обработки в минеральных маслах и керосине увеличивается количество остаточного аустенита в структуре.

Взависимости от условий ведения ЭЭО зона термического влияния имеет закаленные участки с мелкозернистой структурой, участки вторичной закалки, которые зачастую при обработке на грубых режимах чередуются с участками отпуска.

Витоге после ЭЭО углеродистой стали появление тех или иных структур и их чередование в пределах зоны термического влияния будут определяться состоянием стали, режимом обработки и свойствами рабочей жидкости. Последовательность расположения структур от поверхности в глубь металла после обработки закаленной стали на

24

мягких режимах (Wи < 10–3 Дж) в углеродсодержащих РЖ в основном будет следующий: мартенсит, основной металл; при обработке на более грубых режимах: аустенит, мартенсит, троостит-сорбит, отпущенный металл, основной металл [10].

При обработке в углеродсодержащих РЖ на грубых режимах при Wи в несколько джоулей на поверхности образуется ледебурит, после которого следуют указанные выше структуры. При обработке незакаленной углеродистой стали расположение структурных составляющих аналогично вышеприведенным, отличие заключается в отсутствии зоны отпуска.

Толщина зоны влияния у закаленной стали больше, чем у незакаленной, в связи с нагревом основной структуры (мартенсита) до температуры ниже критических точек [10].

1.5.5.Зона пластической деформации

Впроцессе ЭЭО металл испытывает значительные ударные воздействия, связанные с перемещением волны напряжений от расширения и сжатия металла при нагреве и охлаждении обрабатываемой заготовки под воздействием электрического разряда; от давления газа, образовавшегося в результате испарения рабочей жидкости; от давления струй факелов, движущихся со скоростью, близкой к скорости звука; от возникающих в процессе обработки электростатических и электромагнитных сил, а также от протекающих в зоне термического влияния структурных изменений и других факторов. Под их воздействием происходит пластическая деформация поверхностного слоя обрабатываемой заготовки, в ряде случаев выходящая за пределы зоны термического влияния.

Зона пластической деформации появляется в виде измельчения зерен, образования больших дислокаций, а также изменения параметров решетки. Так, обнаружено существенное изменение зерна алюминия далеко за пределами единичной лунки. Также выявлено, что глубина зоны пластической деформации при обработке углеродистых сталей зависит от химического состава: с увеличением содержания углерода глубина зоны растет, а с увеличением кремния уменьшается [3, 10].

25

1.6. Микротвердость поверхностного слоя

Рассмотренные изменения структуры поверхностного слоя и связанные с ними пластические деформации оказывают существенное влияние на степень наклепа Н и микротвердость HV, которые связаны выражением

Н НVп НVо ,

НVо

где индексы «п» и «о» относятся к микротвердости поверхностного слоя и основного металла соответственно.

Существенное влияние на изменение микротвердости поверхностного слоя (толщину зоны наклепа) оказывают материалы заготовки, ЭИ, состав РЖ и режим обработки. Глубина зоны наклепа у углеродистых сталей зависит от изменения содержания в них углерода и кремния. Так, при увеличении углерода в стали до 0,8 % глубины зоны наклепа при ЭЭО импульсами с tи > 500 мкс находится в пределах 80–200 мкм, а при tи = 100 мкс – в пределах 20–50 мкм. Отмече-

80 мкм, а при tи = 100 мкс – от 60 до 30 мкм и др. [10].

Установлено, что микродтвердость поверхности жаропрочного сплава ЭИ437Б повышается после ЭЭО с 4,05–4,4 до 4,7–5,07 ГПа, а стали 12Х18Н9Т – с 1,7–3,0 до 4,7–5,0 ГПа при использовании в качестве ЭИ латуни ЛС59-1, алюминия АД0 и углеграфитовой композиции ЭЭГ [3].

Следует отметить, что в ряде случаев микротвердость тонкого поверхностного слоя может быть несколько ниже микротвердости последующих слоев. Например, при обработке закаленных до твердости HRC 50–56 заготовок из стали ХВГ и У10 в керосине и воде такое изменение микротвердости наблюдалось в большинстве случаев [3]. Указанное явление объясняется образованием остаточного аустенита, количество которого зависит от свойств РЖ и обрабатываемого материала.

26

Таким образом, на изменение микротвердости поверхностного слоя, а также толщины наклепа значительное влияние оказывают свойства РЖ, охлаждающей поверхность лунки после прохождения импульса тока. Образование тех или иных структур в поверхностном слое, определяющих значение микротвердости, во многом зависит от скорости охлаждения нагретой поверхности, а также от охлаждающей способности РЖ.

Установлено, что с ростом вязкости РЖ уменьшается скорость отвода тепла от охлаждаемой поверхности. Кроме того, при использовании различных масел на охлаждаемой поверхности единичных лунок образуется газопаровая пленка, обусловливающая пленочное кипение. Так, например, при использовании масла индустриального 20 пленочное кипение происходит в диапазоне температур 750– 500 оС и пузырьковое кипение с дальнейшим понижением температуры (500–380 оС), при котором скорость охлаждения максимальна. При последующем понижении температуры до комнатной наступает конвективный теплообмен с умеренной скоростью охлаждения нагретой поверхности. Если рабочая жидкость – вода, диапазон температур пузырькового кипения совпадает с диапазоном температур при конвективном теплообмене в случае охлаждения маслом. Это может привести к резкому начальному снижению температуры поверхности единичной лунки до 170–350 оС при охлаждении водой и до 600–400 оС – маслом. Исходя из этого градиент температур при охлаждении водой будет значительно больше, чем при охлаждении маслом. Охлаждение нагретой поверхности в диапазоне температур 350–200 оС происходит со скоростью 75–10 оС/с при использовании масла и с большей во много раз скоростью при использовании воды.

Изложенное позволяет объяснить причины изменения структур и микротвердости поверхностного слоя, а также определить направления разработки новых РЖ, обеспечивающих определенные свойства поверхностного слоя. Так, для получения его высокой и однородной твердости необходимо быстрое охлаждение поверхности единичной лунки при ее высоких температурах и более медленное охлаждение в сравнении с охлаждением водой в области низких температур. Этим требованиям может удовлетворять, например, смесь

27

масла с водой. Использование такой РЖ при температуре поверхности единичной лунки выше температуры кипения масла, очевидно, обеспечит охлаждение обрабатываемой поверхности со скоростью более высокой, чем при охлаждении маслом. Здесь проявляются охлаждающие свойства воды [3].

При температуре поверхности единичной лунки ниже температуры кипения масла, но выше температуры кипения воды масло конденсируется и покрывает охлаждаемую поверхность. В этот период скорость охлаждения нагретой поверхности в основном будет определяться охлаждающей способностью масла. В итоге микротвердость поверхностного слоя будет соответствовать микротвердости, полученной после ЭЭО в воде, а толщина слоя наклепа будет близка к образуемой при использовании в качестве РЖ масла.

Таким образом, максимальная толщина упрочненного слоя может быть получена при обработке в индустриальном масле и смеси воды с индустриальным маслом, а минимальная – при обработке в керосине и дистиллированной воде.

Часто значение микротвердости по толщине поверхностного слоя имеет два максимума [10]. Это определяется своеобразием расположения образовавшихся структур: поверхностный слой имеет два слоя мартенсита с прослойками троостит-мартенсита, обладающими различной твердостью.

1.7. Внутренние напряжения в поверхностном слое

Высокие скорости нагрева и охлаждения, значительные структурные изменения металла при ЭЭО вызывают появление в поверхностном слое тепловых и структурных напряжений. Распространение теплоты в тело заготовки в течение времени t < tи и отвод теплоты в тело заготовки в течение t > tи происходят симметрично относи-

а тангенциальные – равны между собой и могут быть как сжимающими, так и растягивающими. В течение t < tи волна растягивающих тепловых напряжений идет впереди сжимающих напряжений в глубь поверхностного слоя. Очевидно, что при определенных условиях

28

возможно образование сетки микротрещин внутри поверхностного слоя без выхода их на поверхность обрабатываемой заготовки. Со стороны поверхности они могут быть закрыты зоной расплавленного металла заготовки [10].

Втечение t ≥ tи, когда происходит охлаждение поверхности единичной лунки, волна сжимающих тепловых напряжений идет впереди растягивающих в глубь поверхностного слоя. Кроме того, в процессе нагрева и охлаждения обрабатываемой поверхности образуются структурные напряжения, вызванные существенным изменением структуры поверхностного слоя. Эти напряжения в сочетании с тепловыми, компенсируя или усиливая друг друга, образуют остаточные

внутренние напряжения σ0. Таким образом, в конечном счете величина остаточных внутренних напряжений будет определяться режимом обработки, материалом заготовки, свойствами РЖ и условиями обработки.

Определяющее влияние на величину σ0 оказывают длительность импульса и в меньшей степени энергия импульса. Величина σ0 при определенных режимах обработки, зависящих от свойств обрабатываемого материала, может повысить предел прочности последнего

ипривести к сетке микротрещин.

Впроцессе ЭЭО существуют соотношения между Wи и tи, обусловливающие границы выбора параметров импульсов, обеспечивающих ЭЭО металлокерамических твердых сплавов и жаропрочных материалов без образования сетки микротрещин в поверхностном слое [3].

1.8. Точность электроэрозионной обработки

Точность ЭЭО определяется как погрешностями, свойственными любому методу обработки, так и погрешностями, характерными для ЭЭО, и может быть рассчитана как совокупность внесенных в процессе обработки погрешностей. К числу основных погрешностей относят: неточность изготовления станка; погрешность установки заготовки на станке и установки ЭИ; погрешности, являющиеся следствием динамических, статических упругих и тепловых деформаций системы СПИД (станок – приспособление – ЭИ – деталь); погрешности систем

29

управления приводами станка и систем программирования его работы; погрешности, вызванные неточностью изготовления ЭИ, а также непостоянством МЭЗ; погрешности, связанные с износом ЭИ и вызванные его вибрацией, схемой использования РЖ и изменением ее параметров в процессе работы оборудовании и др. [3].

Применительно к фасонным поверхностям, где, в частности, линейные размеры определяют точность обработки, погрешность обра-

ботки можно рассчитать по формуле [10]

k1 2 k2 y 2 k3 н 2 k4 l 2

k5 ст 2 k6 т 2 k7 и 2 1/2 ,

где ki – коэффициент относительного рассеяния рассматриваемой элементарной погрешности; – погрешность базирования ЭД и ЭИ

в приспособлениях; y – погрешность, вызванная колебанием упругих деформаций системы СПИД; н – погрешность настройки станка на заданный размер; l – погрешность размера МЭЗ; ст – погрешность, обусловленная неточностью станка; т – погрешность, определяемая колебанием температуры; и – погрешность, определяемая износом ЭИ.

1.8.1. Погрешность от износа электрода-инструмента

Износ ЭИ оказывает существенное влияние на точность изготавливаемой детали. Он обусловлен многими факторами, основными из которых являются режим обработки, материал и размеры ЭИ. При этом случайная погрешность и определяется не средней экспери-

ментально установленной величиной износа, а его колебаниями при обработке заготовок в равных условиях, обусловленными нестабильностью режима обработки, структуры материала ЭИ и ЭД и рядом других причин.

Для достижения заданной точности обработки существуют несколько методов [1]. Первый способ заключается в проведении обра-

30