4.4 Электрофизические методы изготовления деталей из вольфрама

В последнее время уделяется большое внимание изучению технологических возможностей электрофизических методов при обработке вольфрама и его сплавов.

Ультразвуковая размерная обработка глухих отверстий в заготовках из вольфрама диаметром 15 мм и глубиной 10 мм производилась на станке мод. 4772 карбидом бора № 10 при: амплитуде колебаний инструмента A=40 мкм, частоте колебаний f=19 кГц, удельной силе подачи Р_уд=0,2 кгс/мм² [58]. Установлено, что производительность обработки литого вольфрама в 50 раз ниже, чем при обработке стекла, а холоднопрессованного вольфрама примерно в 3,5 раза выше, чем для литого вольфрама.

Обрабатываемость некоторых тугоплавких металлов с воздействием ультразвуковых колебаний приведена в табл. 20, 21. Из этих таблиц видно, что размерная обработка тугоплавких металлов с воздействием ультразвуковых колебаний характеризуется чрезвычайно низкой производительностью и большим износом инструмента, который в 10 раз выше, чем при обработке стекла. При увеличении пластичности металла, уменьшении его твердости и величины модуля упругости производительность такой обработки снижается.

Поэтому этот метод можно применять лишь при обработке отверстий малого диаметра на небольшую глубину (до 5 мм).

Исследования по обработке вольфрама с воздействием ультразвуковых колебаний в сочетании с процессом анодного

Таблица 20

Обрабатываемый материал	Производительность обработки мм3/мин	Сравнительная производительность, %	Линейный износ инструмента при обработке на глубину 10 мм	Характеристика инструмента и режим обработки
Стекло…………………….. Твердый сплав ВК20…….. Вольфрам холоднопресованный…. ………………… Вольфрам литой деформированный………………….	520,0 9,6 37,0 10,0	100 1.84 7,1 1,95	0,05 2.0 - 0,5	Инструмент ступенчатый цилиндрический диаметром 15 мм из стали 45; A=40 мкм, f=20 кГц; карбид бора № 10. Давление 0,2—2 кгс

Растворения были проведены на ультразвуковом станке УЗС-1 [8] Применяли электролит состава 10 г/л водного раствора CuSo₄ и 10 г/л NаС1. Плотность тока 1,5—2 А/см². В качестве абразива использовали карбид бора № 10-12. Статическая нагрузка для обработки заготовок площадью F=20÷100 мм составляла 0,1 кгс/см². Была достигнута производительность S=1мм/мин при обработке отверстия диаметром D=2 мм на глубину h=4 мм; при этом износ составил 10 мм, относительный линейный износ 250%. При обработке отверстий D=5 мм на глубину h=4 мм производительность S=0,2 мм/мин, относительный линейный износ 175%. Такой высокий изпос инструмента из стали 45 объясняется химическим действием электролита. Износ инструментов из нержавеющей стали в несколько раз меньше.

Таблица 21

Обрабатываемый материал	Относительное удлинение, %	Модуль упругости, кгс/мм2	Твердость НВ, кгс/мм2	Глубина обработки (фактическая), мм	Время обработки, мин	Линейный износ инструмента, мм	Подача, мм/мин	Характеристика инструмента и параметры обработки
Вольфрам Молибден Ниобий	0-0,3 10-15 25-40	41500 33000 10600	286 150 80	9,15 4,95 5,10	15,2 39,66 53,75	0,80 5,05 4,90	0,6000 0,1250 0,0715	Инструмент диаметром 5 мм из стали 45; А=36 мкм, f = 19 кГц. Карбид бора № 6

При обработке в вольфраме отверстия диаметром D=2 мм, глубиной 8,5 мм производительность S=0,07 мм/мин, а относительный износ 250%. Производительность комбинированного способа в 7—9 раз выше обычной обработки свободным абразивом с воздействием ультразвука.

Наиболее широкое применение в промышленности для обработки вольфрама получил способ электрохимического шлифования, который обеспечивает шероховатость обрабатываемой поверхности Rа = 0,2÷0,5 мкм и точность обработки по второму классу. Электрохимическое шлифование вольфрама следует выполнять кругами на органических электропроводных связках. В качестве оборудования используют станки мод. ЗЭ730, ЗЭ731, 3623. Источником технологического тока служат агрегаты типа ВАКР, ВЛКТ и др. Состав электролита для обработки вольфрама: едкий натр 3%, углекислый натрий 3%, остальное вода. Рекомендуется применять в электропроводных кругах алмазы типа АСР, АСВ зернистостью от 50/40 до 200/160. Скорость, круга 10—15 м/с, скорость вращения детали 1 м/с.

Однако электроалмазное шлифование способно вызвать высокие механические и тепловые нагрузки, приводящие при определенных условиях к трещинам и прижогам на обработанных поверхностях [43]. Значительное снижение дефектного слоя при электрохимическом шлифовании алмазными кругами получено при введении щелочных добавок в раствор электролита со степенью щелочности рН<10. Наиболее эффективный состав электролита для обработки вольфрама при оптимальных режимах шлифования следующий: едкий натр NаОН 3%, углекислый натр Nа₂СO₃ 3%, специальная добавка 0,5% (для уменьшения износа алмазного круга), остальное вода. Напряжение на электродах 6В, алмазные крути АПВ 250 10 (х20) хЗ и МВ1 АСВ 160х125, 100; окружная скорость 3 м/с; продольная подача 0,8—0,9 м/мин; поперечная подача 0,05 мм/ход. Величина износа круга составляет 1—2 мг/г. Зернистость круга выбирают по рекомендациям, данным в работе [43].

При обработке вольфрама по приведенному режиму была получена шероховатость поверхности Rа=0,2 мкм, производительность 1550 мм³/миy при ширине обрабатываемой одновременно поверхности 150 мм. Приведенный процесс обработки алмазными кругами на органической связке может быть осуществлен на плоскошлифовальном станке мод. ЗЭ731.

При использовании алмазных кругов на металлической связке с нейтральными электролитами дефектный слой обработанной поверхности вольфрама (молибдена) составляет более 40—50 мкм. Обработка в щелочных электролитах с нейтральными добавками обеспечивает снижение остаточной напряженности поверхностного слоя до величины электрохимически травленой поверхности; микротрещины на поверхности, обработанной в режиме электрохимического шлифования, не обнаружены.

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) вольфрама позволяет осуществлять операции вырезки и резки, обработку малых отверстий и сложноконтурные прошивки с малым припуском на обработку и высокой точностью.

Были проведены эксперименты по выбору технологических режимов, материала обрабатывающего электрода и обрабатываемости вольфрама [19]. Обработка проводилась на станке мод. 4В721 при напряжении источника тока 70—160 В и емкости заряда 23,6 мкФ. Обрабатывающий электрод совершал осевые колебания, задаваемые от электродинамического вибратора. В качестве диэлектрической среды применялся керосин. Обрабатывалась канавка шириной 4, глубиной 2,5 и длиной 10 мм. Во время экспериментов измерялись электрические параметры процесса, относительный износ обрабатывающего инструмента, точность размеров и шероховатость обработанной поверхности.

Лучшие результаты получаются при изготовлении обрабатывающего инструмента из углеграфита. При обработке вольфрама относительный износ составил 52%.

Скорость объемного съема металла при оптимальных режимах составила 16 мм³/мин, что почти в 3 раза ниже, чем при обработке стали 45. Наименьшая шероховатость (Rz=20 мкм) получается при меньшей мощности импульса.

Процессы, происходящие при ЭЭО, определяют характер разрушения поверхностных слоев, а электрические параметры импульсов — величину эрозии. В процессе ЭЭО происходит изменение структуры основного материала и фазового состава, поверхностных слоев под действием термических напряжений, величина которых для тугоплавких металлов весьма значительна, вследствие больших величин градиента температур.

Исследования поверхностного слоя монокристалла вольфрама, проводимые металлографическим способом на плоскостях различной кристаллографической ориентации [10], показали, что электроэрозионная обработка монокристалла вольфрама сопровождается структурными изменениями поверхностного слоя на глубину 70 мкм, возникающим в процессе эрозии в результате термических напряжений, развивающихся под действием неравномерного и нестационарного нагрева зоны действия разряда. Данные металлографического анализа показали, что кроме чисто термического разрушения (испарение, плавление) при электроэрозии монокристаллов вольфрама имеет место хрупкое разрушение.

Крупные кристаллы вольфрама практически можно обработать только электроискровым методом. Электроискровое резание кристаллов осуществлялось на специально сконструированной установке, собранной по схеме и снабженной реле, автоматически поддерживающим искровой промежуток инструмент— заготовка с точностью ±10%.

В качестве межэлектродной среды использовался керосин. Обрабатывающим электродом служил медный диск толщиной 0,3 м. Емкость разрядного контура ступенчато регулировалась в пределах 01—0,5 мкФ [10].

На поверхности мелкокристаллического вольфрама зернистостью 2000 зерен/мм² при электроискровой обработке также образуется сетка микротрещин, однако в этом случае ячейки (фрагменты) имеют округлую форму. Аналогичные по внешнему виду фрагментальные структуры образуются также при облучении кристаллов нейтронами при газовой и ультразвуковой эрозии.

Толщина искрового слоя, образующегося при электроискровой обработке с разрядным контуром емкостью 0,1—0,5 мкФ, колеблется в пределах 0,01—0,05 мм. При изготовлении образцов из кристаллов вольфрама электроискровым методом для гарантированного удаления искрового слоя целесообразно производить стравливание его на толщину в 2—3 раза большую, чем наблюдаемая толщина искрового слоя. В процессе анодно-механической обработки на поверхностные слои со стороны катода действует механическое давление до 2000 кг/см², приводящее к изменениям физического состояния материала, о чем свидетельствуют электроноскопические и рентгеновские исследования.

Процесс анодно-механического резания исследовали при обработке сплава на основе вольфрама ВВ2 па станках мод. МЭ-12.

Электрод - инструментом служила лента из стали СтЗ шириной 25—40 и толщиной 1—1,5 мм. Диэлектрическая жидкость — водный раствор жидкого стекла плотностью 1,2—1,4 г/см³. Объем подводимой в зону обработки диэлектрической жидкости составлял 5—15 л/мин^.

После анодно-механического резания на обработанной поверхности сплава ВВ2 образуется дефектный слой с поверхностными трещинами и неровностями. При этом поверхностные трещины образуются на всем исследованном диапазоне электрических режимов в пределах 50—250 А. Трещины появляются под действием высоких температур, возникающих в процессе обработки. Дефектный слой обработанной поверхности литого вольфрама составил 4 мм, а деформированного 2 мм. С увеличением плотности тока дефектный слой растет. Наибольший дефектный слой образуется при обработке наименее пластичного сплава ВВ2 в состоянии наибольшей хрупкости (литой вольфрам) [31].

Рис. 60 Электрическая схема установки для анодно-механической обработки вольфрама

Анодно-механическую обработку применяют обычно только для отрезных операций. Представляет интерес способ анодно - механического точения лептой. Этот способ позволяет получать цилиндрические заготовки с минимальными припусками под последующую чистовую обработку обычным точением или шлифованием.

Способ анодно-механической размерной обработки токопроводящих материалов — это разновидность электроэрозионной обработки. Заготовку устанавливают между центрами специального приспособления и соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока, а ленту — с отрицательным полюсом (рис. 60). В зазор между лентой и заготовкой непрерывно подается электролит, в котором под действием электрического тока происходит процесс диссоциации. Электролит представляет собой коллоидный раствор жидкого стекла.

Катод — бесконечная стальная лента — подастся на деталь с небольшим усилием, достаточным, однако, для удаления пленки с вершин микронеровностей. В местах, где пленка снята, возникают электрические дуги, выплавляющие и интенсивно выбрасывающие частицы расплавленного металла из зоны резания. В отличие от обычного анодно-механического резания при анодном точении лептой заготовка вращается и подается на торец движущейся ленты. Щели после прохода ленты не образуются, так как лента, вырезая из квадратной или круглой заготовки цилиндр, по отношению к его поверхности является касательной. Весь припуск выплавляется аналогично тому, как при точении резец превращает в стружку срезаемый слой металла.

Производительность обработки зависит от температуры плавления металла и его теплопроводности. С увеличением температуры плавления производительность уменьшается. Производительность анодного точения лентой определяется также параметрами режима обработки, основной из них—величина продольной подачи, зависящая от соотношения заготовок и детали. При расчете подачи за исходную величину принимают линию врезания. Кроме того, производительность при анодном точении лентой определяется объемом металла, снимаемого в единицу времени.

При обработке несложных ступенчатых поверхностей поперечная подача заготовки на ленту осуществляется вручную. Работать на подачах ниже или выше оптимальной не рекомендуется, так как это приводит либо к падению производительности, либо к большим структурным изменениям металла вследствие его перегрева в зоне резания.

Размерная электрохимическая обработка (РЭХО) вольфрама приобретает важное значение в связи с трудностью его механической обработки. Электрохимическая обработка способствует повышению качества обрабатываемой поверхности вольфрама за счет улучшения микрорельефа поверхности (особенно в режиме электрополировки), уменьшения напряженности поверхностного слоя вследствие частичного или полного устранения локальных мест.

Формообразование при электрохимической обработке характеризуется степенью локализации процесса анодного растворения, определяемой кинетическими особенностями самого процесса. В соответствии с этим ЭХО рассматривают с точки зрения характера и особенностей процесса растворения. Экспериментальные данные по ЭХО вольфрама в щелочных электролитах свидетельствуют об активном растворении с высоким выходом по току (анодному) в широком диапазоне электрических и гидродинамических параметров и величины межэлектродного зазора. Отсутствие области пассивации вольфрама в условиях электрохимического растворения обусловливает малую степень локализации процесса. Применение добавок в щелочном непассивирующем виде нейтральных солей снижает интенсивность процесса растворения, не меняя характер скоростных зависимостей. В связи с высокой активностью электрохимического растворения вольфрама в щелочных растворах размерное формообразование представляется возможным только за счет ограничения зоны растворения с помощью изоляции нерабочих поверхностей анода и катода или направленной локальной подачи электролита в межэлектродный зазор.

При исследовании обрабатываемости вольфрама выявлена повышенная чувствительность электрохимического растворения его к изменениям условий процесса, особенно к неравномерному распределению скоростей потока электролита на анодной поверхности. Нестабильность условий течения электролита, а также концентрационные и температурные изменения его свойств, имеющие место при РЭХО, вызывают локальные изменения анодного потенциала, приводящие в процессе растворения к образованию соединений вольфрама разной степени окисления с различными электрофизическими свойствами. Этим обусловлено образование на обрабатываемой поверхности микронеровностей. Подобная специфика растворения снижает точность обработки, качество поверхности и является причиной нестабильности самого процесса обработки. С целью получения равномерного растворения вольфрама обеспечиваются условия изотропности потока электролита в межэлектродном зазоре за счет дополнительного относительного движения электролита и создания конструктивным путем условий безотрывного течения электролита по всей длине межэлектродного канала.

Экспериментальная зависимость плотности тока от межэлектродного зазора при напряжении 20 В характеризует малую степень локализации процесса растворения вольфрама.

Поверхность вольфрама в растворах нейтральных электролитов пассивируется анодными окисными пленками, которые можно удалить или дополнительным механическим воздействием, или применением специального импульсного источника литания. Применяют различные способы ограничения зоны растворения, так как вольфрам активно растворяется в щелочных электролитах в широких пределах межэлектродного зазора. Одним из способов является локализация зоны протока электролита и его направлений подачи в межэлектродный зазор в виде струи вдоль проволочного катода. Этот способ позволяет выполнять операции сложноконтурного вырезания, обработки пазов, канавок в деталях типа тел вращения и торцевание. Характер течения струи, устойчивость и стабильность ее размеров и формы влияют на точность обработки.

При обработке вольфрама вращающимся профильным инструментом условия его локального и равномерного растворения в щелочных электролитах не обеспечиваются вследствие трудностей получения струи малой толщины (0,1—0,2 мм).

Таблица 22

Компонент	Состав электролита
	1	2	3	4		5		6
Едкий натр, г/л……..... Вольфрамовокислый натр, г/л………………… Бихромат калия, г/л…. Углекислый натрий, г/л Фосфорнокислый натрий, г/л………………… Сульфид натрия, г/л… Анодная плотность тока, А/дм3................................ Напряжение, В…………. Температура, 0С..............	100 - - - - - 60-300 6-10 25	40 40 0,5 - - - 10-15 7 50	5 30 - - - - 400 21 40-50	- - - 150 - - 9 6-10 44-45		100 - - - - - 3-6 6 20		- - - 150 - - 3-9 6-12 40-46
Компонент	Состав электролита
	7	8	9		10		11
Едкий натр, г/л………..... Вольфрамовокислый натр, г/л……………….. Бихромат калия, г/л……. Углекислый натрий г/л... Фосфорнокислый натрий, г/л......................... Сульфид натрия, г/л….... Анодная плотность тока. А/дм3...................... Напряжение, В…………. Температура, 0С..............	50-100 - - - - - 50-1000 0,5-20 26	- - - 50-150 - - 50-100 0,5-20 25	- - - - 50-150 - 10-200 0,5-20 25		- - - - 50-150 - 30-1000 0,5-20 50		- - - - - 50 50-1000 0,5-20 25

Лучшие результаты получены при подаче электролита в межэлектродный зазор в виде мелкодисперсного аэрозоля, электрическое сопротивление которого значительно возрастает за счет диспергирования электролита воздухом, и при определенных зазорах процесс прекращается. Наоборот, при зазорах, соизмеримых с величиной диаметра капель электролита в аэрозоле в межэлектродном промежутке получается газожидкостный слой с проводимостью, которая обеспечивает прохождение тока большой плотности, и процесс электрохимического растворения возобновляется [59].

Иногда для очистки поверхности от окислов или перед нанесением различных покрытий необходимо проводить электротравление вольфрама. В табл. 22 приведены составы электролита и режимы электролиза [5]. Скорость и характер растворения вольфрама зависят от молярного отношения концентраций феррицианида калия и щелочи к. При к= 2,3 потенциал резко изменяется, его скачок соответствует переходу от полирования к травлению поверхности вольфрама с выявлением кристаллической структуры. В зависимости от величины потенциала вольфрам может находиться в катодно-пассивированном состоянии или в состоянии анодного растворения, пассивности или глянцевания [5].