Электроэрозионная обработка изделий авиационно-космической техники

                   К 100-летию со дня рождения академика Бориса Романовича Лазаренко — человека, сумевшего по-новому взглянуть на проблему электрической эрозии материалов

Ю.С. Елисеев, Б.П. Саушкин



Электроэрозионная обработка изделий авиационно-космической техники

Под редакцией Б.П. Саушкина






Москва 2010

УДК 621.9.048:629.78
ББК 30.61

    Е51


Рецензенты:
кафедра технологии машиностроения МГТУ-МАМИ
(зав. кафедрой канд. техн. наук, проф. Б. В. Шандров);
зав. кафедрой электротехники Московского государственного открытого университета
д-р техн. наук, проф. Ю. С. Волков


            Елисеев Ю. С.


Е51 Электроэрозионная обработка изделий авиационно-космической техники / Ю. С. Елисеев, Б. П. Саушкин; под ред. Б. П. Саушкина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. - 437, [3] с., ил.
         ISBN 978-5-7038-3425-1
         Изложены сведения о методе, способах и технологиях электроэрозионной обработки изделий, рассмотрена модель процесса электроэрозионного формообразования, проведена оценка основных показателей технического уровня соответствующих технологий.
         Обсуждаются основные вопросы теории электроэрозионного формообразования, рассмотрены закономерности электрического пробоя жидкой диэлектрической среды, развития искродугового разряда, сопутствующих тепловых и гидромеханических процессов в узком межэлектродном промежутке.
         Представлены общая методика, порядок и рекомендации по проектированию основных операций электроэрозионной обработки изделий, приведен необходимый для этого справочный материал. Рассмотрены средства технологического оснащения и приведены необходимые данные для их обоснованного выбора.
         Книга предназначена для инженерно-технических работников машиностроительных предприятий, а также может быть полезна студентам старших курсов и аспирантам, специализирующимся в области технологий электроэрозионной обработки.


Издается в авторской редакции



                                                                УДК 621.9.048:629.78
                                                                ББК 30.61



                                                    © Елисеев Ю.С., Саушкин Б.П., 2010 © Оформление. Издательство МГТУ

ISBN 978-5-7038-3425-1

им. Н.Э. Баумана, 2010

            ПРЕДИСЛОВИЕ


    Применение высокоэффективных технологий на основе развития электро-эрозионного метода обработки является ярким примером взаимного влияния фундаментальных научных идей и прикладных разработок. Действительно, физико-технический эффект электрической эрозии материалов при протекании низковольтных электрических разрядов в жидкой диэлектрической среде очень быстро трансформировался в способы, технологии и оборудование для электроэрозионной обработки [1-3]. С другой стороны, развитие электроэро-зионных технологий привело к постановке и решению ряда теоретико-экспериментальных задач, связанных с описанием различных физико-химических процессов в межэлектродном промежутке [4-6].
    Наукоемкие технологии электроэрозионной обработки получили широкое распространение в основном и инструментальном производствах машиностроительных и приборостроительных заводов, а станки данной группы в начале XXI в. занимают четвертое место по объему продаж на мировом рынке металлорежущего оборудования.
    Результаты теоретических и прикладных разработок в области электроэрозионной обработки, выполненных в России и за рубежом, отражены в немногочисленных монографиях и учебных пособиях [4-10]. В большинстве своем книги, изданные в последние годы, стали библиографической редкостью, а изложенный в них материал требует обновления и дополнения, поскольку не отражает всего комплекса научных и прикладных проблем, связанных с развитием данного метода формообразования [11, 12].
    Настоящая книга призвана обобщить достигнутые научные и практические результаты и ознакомить читателя с новыми идеями и прикладными разработками в этой области технологии машиностроения.
    В ней рассмотрены теоретические представления о физико-химических процессах, вызывающих электрическую эрозию твердых тел, представлены содержательный, материальный и технологический аспекты описания электро-эрозионных технологических систем, изложен общий подход к оценке уровня качества технологий электроэрозионной обработки.
    Книга содержит нормативно-справочный материал, необходимый для проектирования высокоэффективных технологий электроэрозионной обработки. В ней обсуждаются технологические характеристики операций ЭЭО, средства технологического оснащения, методика технологического проектирования.

Предисловие

Рассматриваются основные операции ЭЭО и приводятся сведения о соответствующем оборудовании. Впервые в отечественной учебной литературе представлены некоторые новые направления в развитии метода ЭЭО, такие как размерная обработка электрической дугой, электроэрозионное нанесение толстослойных покрытий, микроэлектроэрозионная обработка изделий.
    Значительное внимание уделяется обобщению опыта промышленного применения эффективных технологий электроэрозионной обработки. Приводятся технические характеристики существующего и перспективного оборудования, обсуждаются достигнутые практические результаты и анализируются пути совершенствования и развития технологий ЭЭО в обозримом будущем.
    В книгу включены сведения о комбинированных методах обработки материалов с использованием электроразрядных явлений. В ней представлены необходимые материалы для практического внедрения электроэрозионных технологий. Это рекомендации по проектированию специализированных участков и цехов, общий подход к технико-экономической оценке технологических решений, требования по обеспечению безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии.
    На стиль изложения и характер отобранного материала данной книги несомненное воздействие оказало непосредственное общение одного из авторов с академиком Б.Р. Лазаренко и профессором Б.Н. Золотых, чье влияние на развитие теории и практическое применение технологий ЭЭО трудно переоценить.
    При работе над книгой обобщен и максимально использован опыт преподавания отдельных разделов курса «Электрофизические и электрохимические методы обработки» в РГТУ-МАТИ им. К.Э. Циолковского, МГТУ-МАМИ и других отечественных высших учебных заведениях, а также опыт, накопленный при внедрении электроэрозионных технологий на передовых машиностроительных предприятиях. Наряду с результатами собственных исследований авторов, в книге использованы методические, справочные и иллюстративные материалы других специалистов с соответствующими ссылками.
    Книга ориентирована на подготовленного читателя, знакомого с явлением электрической эрозии материалов. Это прежде всего инженеры-конструкторы и инженеры-технологи машиностроительных предприятий, работающие в области электрофизических и электрохимических методов обработки, студенты старших курсов и аспиранты соответствующих специальностей высших учебных заведений.
    Авторы благодарят рецензентов - профессора Ю.С. Волкова, профессора Б.В. Шандрова за ценные замечания по содержанию рукописи, профессора А.Г. Бойцова за проявленный интерес и помощь в подборе материала.

            ВВЕДЕНИЕ


    Явление эрозии металлов под действием электрического тока описано английским ученым Д. Пристли в конце XVIII в. Однако оригинальная идея использовать это явление для размерного формообразования принадлежит нашим соотечественникам Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко.
    Годом рождения электроэрозионной обработки (ЭЭО) материалов считается 1943-й, от которого отсчитывается приоритет соответствующего изобретения (А.с. СССР № 70010 с приоритетом от 3.04.1943). В этом же году Б.Р. Лазаренко защитил кандидатскую диссертацию на тему «Инверсия электрической эрозии металлов и методы борьбы с разрушением контактов» и стал руководителем лаборатории ЭЭО. Основные направления работ этой лаборатории были обозначены как исследование физических основ процесса электрической эрозии материалов, развитие технологических основ ЭЭО, разработка и внедрение высокоэффективных технологических процессов. В 1944 г. опубликовано достаточно подробное описание выполненных исследований, в котором намечены основные способы промышленного применения нового метода обработки материалов [1].
    Результатом интенсивных исследований явления электрической эрозии применительно к задачам размерной обработки деталей машин стала защита Б.Р. Лазаренко в середине 1948 г. докторской диссертации. Именно тогда он произнес ставшие знаменитыми слова: «Не может быть причин, которые приостановили бы развитие и движение этого революционного процесса, ломающего существующие представления об обработке материалов. Ему принадлежит будущее...» [13].
    Важным событием в истории развития ЭЭО явилось создание Б.Р. Лазаренко в 1948 г. Центральной научно-исследовательской лаборатории электрических методов обработки материалов, которая в 1955 г. приобрела статус академической. В этот же период создаются научно-инженерные коллективы, работающие в данной области и в других странах (Япония, Швейцария, Чехословакия), организуются профильные отделы в отраслевых НИИ нашей страны (НИАТ, НПО «Техномаш», НПО «Исток», ЭНИМС).
    Под руководством талантливых ученых и инженеров Д.З. Митяшкина, М.В. Щербака, В.Х. Постаногова, В.П. Смоленцева, А.В. Глазкова, С.С. Под-лазова, Б.И. Ставицкого, Н.К. Фотеева в отраслевых министерствах развернулись конструкторские и технологические работы по внедрению ЭЭО.

Введение

Б.Р. Лазаренко (1910-1979)
Д-р техн. наук, проф., академик АН МССР

Б.Н. Золотых (1920-2008)
Д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки и техники

    Большой объем экспериментальных и теоретических работ, направленных на исследование процесса электрической эрозии материалов, выполнен Б.Н. Золотых с сотрудниками [14]. Можно без преувеличения сказать, что существующий концептуальный подход к описанию механизма удаления припуска, оценке технологических показателей операций ЭЭО, процедурам оптимизации параметров режима и управления процессом был заложен в трудах Б.Н. Золотых. Докторская диссертация Б.Н. Золотых «Основные вопросы теории электрической эрозии в импульсном разряде в жидкой диэлектрической среде» (М.: МИЭМ, 1968) стала заметной вехой в развитии ЭЭО.
    Активное участие в практической работе по внедрению новых технологий принимали предприятия авиационной промышленности. Так, в конце

1950-х годов специалистами предприятия ММПП «Салют» разработан и внедрен технологический процесс обработки профиля пера турбинных лопаток с применением ЭЭО на специальных станках и организован производственный участок для реализации этой технологии.
    Широкий фронт работ по исследованию и внедрению технологий ЭЭО был развернут в НПО «Техномаш». В этой организации созданы уникальные технологии ЭЭО деталей специального назначения [15].
    Исследования, начатые в середине 1950-х годов показали возможность и целесообразность применения ЭЭО для производства прецизионных изделий электронной промышленности. Развитие этих исследований привело к разработке способа ЭЭО проволочным электродом-инструментом и появлению в нашей стране проволочно-вырезных электроэрозионных станков [16]. Первые аналоги такого оборудования появились за рубежом лишь через 5-10 лет в начале 1970-х годов. Значительная заслуга в развитии этого направления ЭЭО принадлежит Б.И. Ставицкому. Работы руководимого им коллектива обеспечили изготовление миниатюрных деталей электронных приборов с точностью до единиц микрона и на порядок меньшей шероховатостью. Оказалось возможным обрабатывать детали, элементы которых не превышают 10 мкм [17]. К середине 1960-х годов удалось разработать генераторы импульсов, позволившие использовать в качестве рабочей среды техническую воду вместо

Введение

9

керосина, а к середине 1970-х годов появились системы ЧПУ с электроэрози-онными станками на базе мини- и микроЭВМ.
    Успехи в области промышленного применения метода ЭЭО основывались на результатах научных исследований, выполненных под руководством Б.Р. Лазаренко, Н.И. Лазаренко, Б.Н. Золотых, К.К. Намитокова, Л.С. Палатника, А.Л. Лившица, Н.К. Фотеева, Г.Н. Мещерякова, И.Г. Некрашевича, М.К. Мицкевича и других ученых.
    Значительный вклад в развитие существующих представлений о сущности процесса ЭЭО внесли сотрудники Института прикладной физики АН МССР, основанного академиком Б.Р. Лазаренко в 1964 г. [18], и Физико-технического института АН БССР [19].
    В результате теоретических и прикладных работ в нашей стране к 1990-м годам были созданы основы проектирования технологий и оборудования для ЭЭО, разработана гамма станков общемашиностроительного применения и накоплен парк таких станков [20].
    Успешно развивается ЭЭО материалов за рубежом. Создан мировой рынок соответствующих технологий и оборудования, лидирующее положение в котором занимает Япония, где в 1950-х годах был создан НИИ электроэрозионной обработки, несколько позже - японское общество инженеров-электрообработчиков. В эту область знаний вкладываются значительные инвестиции, что и привело к столь показательным результатам [21].
    Мировое производство копировально-прошивочных и профильно-вырезных электроэрозионных станков быстро возрастало, и к настоящему времени электроэрозионное оборудование занимает четвертое место по объему продаж на рынке металлорежущего оборудования (около 7 %). Постоянно расширяются технологические возможности электроэрозионных станков. Так, скорость обработки на проволочно-вырезных станках возросла более чем на порядок (от 25 до 600 мм²/мин), точность обработки достигла ±1 мкм, а шероховатость поверхности снизилась до 0,1. ..0,2 мкм. Созданы системы CAD/CAM для этого вида оборудования, широкодиапазонные импульсные генераторы с КЧПУ [22, 23].
    Эволюция копировально-прошивочных станков привела к снижению погрешности обработки с ±30 до ±5 мкм. Значительно повысились производительность и уровень автоматизации таких станков. Появилось оборудование для электроэрозионной обработки электрической дугой. Созданы технологии и оборудование для микроэрозионной обработки. Успешно развиваются технологии электроэрозионного упрочнения и нанесения покрытий [24].
    Отечественные электроэрозионные станки пока отстают от лучших зарубежных аналогов по производительности в 1,5-2 раза, по точности в 1,3-1,5 раза. Это связано прежде всего с системным кризисом отечественного станкостроения, последовавшим за общественно-социальным кризисом 1990-х годов, резким снижением годового объема выпуска станков для электрофизической и электрохимической обработки материалов [25, 26]. К началу третьего тысячелетия годовые объемы выпуска станков этой группы в нашей

Введение

стране не превышали 10-15 единиц. В последние годы отечественные производители электроэрозионного оборудования заметно активизировали работы, направленные на повышение качества и конкурентоспособности своих изделий [23]. Для комплектования станков широко применяются отдельные функциональные блоки ведущих мировых производителей, используется современная элементная база электроники.
    В связи с высокой стоимостью нового зарубежного оборудования в нашей стране получили распространение технологии восстановления и модернизации физически и морально устаревшего оборудования. Действительно, анализ баланса производства и потребления станков рассматриваемой группы (табл. В.1) показывает, что в объеме продаж станков за указанный период большую долю занимает оборот подержанных станков. Из представленных данных ясно, что в отечественном производстве и потреблении электроэрозионных станков импортная зависимость пока существенно превышая экспортную способность. Отметим тот факт, что в 2007 г. электроэрозионные станки занимали третье место в импорте металлообрабатывающих станков (14 %).


Таблица В.1

Производство и потребление электрофизических и электрохимических станков в России

Показатели производства и потребления                  Всего за период          
                                                         1992-2003 г.           
Производство в РФ, шт.                                                          
Импорт станков, шт.:                                                            
новых                                                                           
подержанных                                                  637                
Экспорт станков, шт.:                                        2462               
новых                                                        1142               
подержанных                                                  224                
Потребление станков, шт.:                                    253                
новых                                                        2875               
подержанных                                                  889                
Коэффициент импортной зависимости, Kи                       0,928               
Коэффициент экспортной способности, Kэ                      0,613               
Примечание. Kи, Kэ - отношение соответстве    нно импортируемых и экспортируемых
станков к общему количеству потребляемых став ков.                              

    Представленные данные отражают также тот факт, что технический уровень отечественного оборудования пока отстает от лучших образцов известных зарубежных фирм. Сложилась парадоксальная ситуация: приоритет России в разработке метода электроэрозионной обработки и общепризнанные достижения российских ученых в области теоретического описания процесса электрической эрозии и технологических основ его промышленного примене

Введение

11

ния резко контрастирует с возможностями нашей страны в создании новых образцов соответствующего оборудования.
    Технологии, основанные на физико-технических эффектах, обусловленных протеканием электрических разрядов в диэлектрических средах, обладают всеми признаками наукоемких, ключевых, многопрофильных технологий [27]. История развития метода ЭЭО является яркой иллюстрацией зарождения и развития наукоемких технологий, она подчеркивает государственную важность обладания такими технологиями. Есть все основания предполагать, что в обозримом будущем ЭЭО как метод обработки материалов сохранит и упрочит свои позиции в мировом технологическом пространстве [28, 29].

Н.И. Лазаренко, к.т.н.
1911-1991

М.К. Мицкевич, д.т.н., проф., лауреат Государственной премии

Б.И. Ставицкий, к.т.н., лауреат Ленинской премии

А.Д. Верхотуров, д.т.н., проф., лауреат Государственной премии