Повышение эффективности обработки изделий из биметаллических материалов нового поколения

В современном машиностроении для изготовления новых видов изделий с улучшенными характеристиками нашли применение биметаллические материалы, полученные с применением аддитивных и гибридных технологий наплавки. Они представляют собой послойное соединение разнородных сплавов в единую композицию. Повышенные физико-механические свойства таких материалов накладывают ограничения на их обрабатываемость традиционными методами, что является сдерживающим фактором для создания из них сложнопрофильных изделий. Проблему может решить применение технологии проволочно-вырезной электроэрозионной обработки, позволяющей изготавливать изделия из биметаллических токопроводящих материалов любой твердости. Однако, каждый новый биметалл характеризуется разнородностью технологических свойств, поэтому в настоящее время нет рекомендаций по их обработке с применением методов электрофизического воздействия.

Ученые Передовой инженерной школы ПНИПУ экспериментально исследовали особенности этого процесса и их влияние на точность и качество поверхности. Полученные результаты способствуют развитию уровня производства биметаллических изделий в России.

Статья опубликована в научно-техническом журнале «СТИН», № 11, 2024 год. Исследование выполнено при поддержке гранта Правительства Пермского края, проект № С-26/644. 

Функционально градиентный биметаллический материал состоит из двух или более прочно соединенных между собой различных металлов или сплавов. Заготовки получают методом послойного выращивания, что обеспечивает нужное сочетание свойств – высокую прочность, тепло- и электропроводность, низкую пластичность и плотность, коррозионную стойкость и другие.

Такой материал широко применяют для изготовления деталей в судо- и машиностроении, инструментов для кухни и сельского хозяйства, используют в термоэлектрических конструкциях и элементах приборостроения. Но его традиционная лезвийная обработка из-за ударных нагрузок в зоне резания снижает качество поверхности, особенно это критично для тонкостенных сложнопрофильных заготовок.

Применение проволочно-вырезной электроэрозионной обработки (ПВЭЭО) позволяет избежать таких недостатков. Под действием электрических разрядов проволока плавит материал и формирует нужный контур на металлической заготовке. Технология подходит для сплавов любой твердости. Однако в случае биметалла важно учитывать, что материал, из которого он создается, неоднороден, и каждый сплав по-разному реагирует на электроэрозию.

На сегодняшний день нет технологических рекомендаций по обработке биметаллических изделий, состоящих из компонентов разной электроэрозионной обрабатываемости. Неизвестно, как процесс ПВЭЭО влияет ширину реза и параметр шероховатости их поверхности. Ученые ПИШ Пермского Политеха экспериментально исследовали точность и качество этого процесса на образцах, состоящих из послойно наплавленных сталей, которые широко применяются в промышленности.

– Мы выбрали именно стали 307 Lsi и 30ХГСА, так как при создании биметалла стояла цель совместить разносторонние материалы. Первая отличается хорошей пластикой и коррозионной стойкостью, а вторая – хорошими прочностными свойствами, – объясняет директор Высшей школы авиационного двигателестроения ПНИПУ, кандидат технических наук Тимур Абляз (на фотографии).

Политехники подвергали образцы проволочно-вырезной электроэрозионной обработке и после определяли структуру поверхностного слоя, ширину реза и коэффициент электроэрозионной обрабатываемости. Определение этих параметров позволяет контролировать процесс обработки и повышать ее точность, что приводит к получению качественного продукта.

– Коэффициенты электроэрозионной обрабатываемости для сталей 30ХГСА и 307 Lsi составляют 0,9 и 0,4. Значит, в процессе обработки сталь 30ХГСА быстрее достигает температуры плавления. Это же объясняет бо́льшую ширину реза ее слоев (в интервале от 300 до 330 мкм), в отличие от второй стали (от 280 до 300 мкм). Также присутствует разница в шероховатости поверхности. В итоге мы можем сделать вывод, что ПВЭЭО по-разному влияет на обработку исследуемых сталей, но регулируя параметры процесса можно обеспечить необходимые характеристики для изделий из биметалла, – рассказывает Тимур Абляз. 

Исследование ученых ПИШ Пермского Политеха позволило определить, как проволочно-вырезная электроэрозия влияет на обработку слоистого биметаллического материала. Полученные результаты могут быть полезны для повышения уровня точности и качества биметаллических изделий на производстве.