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

Во введении обоснована актуальность темы, обозначены цель работы, научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ и систематизация научно-технической информации о проблемах электроэрозионной обработки диэлектрических материалов, рассмотрены особенности текстурирования поверхности и повышения производительности обработки за счет применения вспомогательного электрода-покрытия и ассистирующего порошкового материала.
Обработка керамики традиционными методами очень сложна, поэтому электроэрозионная обработка с ее преимуществами является идеальным выбором для обработки керамики высокой твердости. Показана возможность обработки диэлектрической керамики с помощью процессов электроэрозионной обработки. Оксидная техническая керамика не является электропроводящим материалом при нормальных температурах (до 1̴ 000 °С в зависимости от химического состава). Такие технологические решения, как использование ассистирующих электропроводящих материалов в зоне обработки в виде покрытия или порошкового материала введенного в зону обработки улучшают электрические параметры в межэлектродном зазоре для провокации электрических разрядов с целью одновременной сублимации вспомогательного электрода и материала из близлежащей диэлектрической заготовки, что значительно расширяет сферу применения электроэрозионной обработки.
Во второй главе рассматривается усовершенствованный способ электроэрозионной обработки алюмооксидной керамики с использованием вспомогательного электрода-покрытия и ассистирующего порошкового материала на основе комплексного подхода, способы создания на поверхности образцов керамики электродов-покрытий ионно-плазменным методом, адгезионной пленкой, комбинированным способом. Описывается, каким образом проводились поиск рациональных электрических факторов электроэрозионной обработки алюмооксидной керамики, адаптивных факторов, выбор диэлектрической среды.
В этой работе в качестве основных элементов интегрированной системы (Рис. 1) были выбраны следующие факторы электроэрозионной обработки: длина и частота импульсов электрического тока, операционное напряжение, скорости перемотки и подачи электрода-инструмента, его натяжение, материал электрода-инструмента, диэлектрическая среда (рабочая жидкость), материал и тип вспомогательного электрода-покрытия, материал ассистирующих порошков.
Рис. 1. Интегрированная система для электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики
В ходе аналитического исследования выявлено, что могут образовываться соединения типа пиротехнического карбида алюминия, поэтому использовалась диэлектрическая среда на водной основе, а в качестве электрода-инструмента использовались латунный и вольфрамовый инструмент. Первый традиционно зарекомендовал себя как материал с высокой удельной электропроводностью и прочностью, а второй предложен как альтернативный вариант из-за своей жаростойкости, сравнимой с жаростойкостью алюмооксидной керамики, несмотря на известную хрупкость.

Рис. 2. Разработанная структура многослойного покрытия медь-серебро типа «Сэндвич»
В главе представлено несколько методов нанесения проводящего покрытия адгезионного типа – самоклеящаяся лента (Рис. 2), магнетронное и дуговое напыление, плазменное осаждение покрытия из газовой фазы, нанесение суспензии лакового типа кистью, двух- и трёхслойный сэндвич из медной ленты/алюминиевой фольги с использованием серебряной суспензии клеевого типа и последующее спекание сэндвича при температуре 150 – 240 °С в течении 1 – 3 часов для условного снижения напряжений, сушки слоев и удаления органических сред.
В соответствии с результатами пробных экспериментов для каждого типа разработанного электрода-покрытия представлен широкий диапазон факторов электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики. При ассистировании порошковым материалом использовался замкнутый цикл ввода суспензии взвешенных частиц ZnO, TiO2, SnO в зону обработки (Рис. 3).
абв
Рис. 3. Схематичное изображение разработанного способа
электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики на основе применения ассистирующего электрода-покрытия и ассистирующего порошкового материала

После подготовки канала проводимости и пробоя диэлектрической жидкости (Рис. 3, а) происходит ионизация межэлектродного зазора, расплавление и сублимация вспомогательного покрытия (Рис. 3, б). При этом в разогретой до высокой температуры (до 104 °С) зоне происходит, строго говоря, не электроэрозионный, а плазмохимический процесс. Запускаются реакции между веществами заготовки, вспомогательного электрода-инструмента и ассистирующего порошка с образованием электропроводящих фаз [Григорьев С.Н., Окунькова А.А., Волосова М.А. Перспективные методы электроэрозионной обработки керамики. – М.: ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН», 2020. – 192 с.], например:
2Al2O3 + 12Cu +Q → 4Cu3Al +3O2↑ (1)
6Al2O3 + 4TiO2 + Q → 4Al3Ti + 13O2↑ (2)
Al2O3 + SnO +Q → 2Al + Sn + 2O2↑
Al2O3 + ZnO + Q→ 2Al + Zn + 2O2↑ Al2O3 + SnO +2Ni + Q → 2AlNi + Sn + 2O2 ↑
(3) (4) (5)
Образуется и лопается газовый пузырь, который распыляет расплавленные и уже остывшие продукты реакции, в том числе и электропроводящие, на поверхность заготовки, на которой из них образуется новый вспомогательный электрод (Рис. 3, в). Затем процесс повторяется циклически.
Апробация образца алюмооксидной керамики с использованием медного адгезионного электрода-покрытия толщиной 120 – 180 мкм и никелевого тонкого покрытия толщиной 12 мкм показала удовлетворительные результаты при обработке на вырезном электроэрозионном станке в среде суспензии ассистирующих порошков на основе деионизированной воды.
В третьей главе проведен анализ снимков сканирующей электронной микроскопии образцов диэлектрической алюмооксидной керамики, который подтвердил отсутствие химических следов прохождения побочных реакций при спекании. В образцах присутствовала мелкозернистая структура. Место механического разрушения образца характеризуется равномерностью разрушения при прохождении объемной трещины.
Гранулометрический анализ ассистирующих порошковых материалов продемонстрировал, что оксид цинка имеет средний внутренний диаметр 63,79 мкм и 33,46 мкм для 50 % частиц, а оксид титана имеет средний внутренний диаметр 10,84 мкм и 9,29 мкм для 50% частиц. Средняя кругообразность порошка оксида цинка составляет 0,597 – 0,625 мкм для 50 % частиц, а средняя кругообразность для оксида титана составляет 0,656 – 0,700 мкм для 50 %
частиц. Гранулометрический анализ порошкового материала SnO показал сходный с ZnO результат в части среднего диаметра частиц и их сферичности.
Таблица 1. Факторы электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики с использованием медного электрода-покрытия (40 мкм), латунного электрода-инструмента (CuZn35, Ø 0,25) в водной среде
Фактор
Значение
Напряжение
(U), В
Частота (F),
кГц
Длитель-
ность (D),
мкс
Скорость
перемотки 7 (R), м/мин
Натяжение (T), Н Скорости подачи (W), мм/мин
0,25
Результаты исследований электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики с использованием ассистирующего медного электрода-покрытия и ZnO суспензии продемонстрировали наиболее выразительный результат в части текстурирования при использовании двуслойного медного покрытия (80 мкм), концентрации ZnO частиц в суспензии – 7, 14 и 100 г/л и латунного электрода-инструмента (Таблица 1, Рис. 4).
(а) (б)
Рис. 4. Результаты экспериментов (ZnO – 7 г/л): (а) оптическая микроскопия для факторов обработки – напряжение U = 108 В, частота F = 7 кГц, длительность импульса D = 2,5 мкс, скорость перемотки R = 7 м/мин, скорость подачи W = 0,5 мм/мин; (б) оптическая микроскопия для факторов обработки – напряжение U = 108 В, частота F = 5 кГц, длительность импульса D = 1 мкс, скорость перемотки R = 7 м/мин, скорость подачи W = 0,5 мм/мин
0,3 0,4
2,5 2 1 10
0,5
2.6 25
0,3
0,4
25 30 15
0,5 1
1.5 15 2 20 2.7 15 2.7 20
2.5 30 2.6 10 2.4 5
2,64
15 20
13
Результаты исследований электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики с использованием вспомогательного медного электрода-покрытия и TiO2, SnO суспензий продемонстрировали наиболее выразительный результат в части текстурирования при использовании двуслойного медного покрытия (80 мкм), концентрации TiO2 частиц – 50, 150 г/л, SnO частиц – 150 г/л (глубина прорези – 52,95 мкм), и использовании латунного электрода-инструмента (Таблица 2, Рис. 5).
Таблица 2. Факторы электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики при концентрации частиц TiO2 – 50 – 150 г/л с использованием латунного электрода-инструмента
Фактор
Напряжение (U), В
Частота (F), кГц
Длительность (D), мкс Скорость перемотки (R), м/мин Натяжение (T), Н
Скорости подачи (W), мм/мин
5
Значение
8 11
7 0,25 0,3
Рис. 5. Оптическая микроскопия поперечного сечения сформированной текстуры с использованием латунного электрода-инструмента (TiO2 – 150 г/л) для факторов обработки – напряжение U = 108 В, частота F = 2 кГц, длительность импульса D = 1 мкс, скорость перемотки R = 7 м/мин и скорость подачи W = 0,3 мм/мин
Можно положительно охарактеризовать результаты исследований с применением техники адаптивных факторов. – на первых секундах электроэрозионной обработки использовался стандартный режим, рекомендованный производителями оборудования для обработки меди, а затем использовались найденные в данном исследовании значения факторов для
текстурирования диэлектрической алюмооксидной керамики (Таблица 3, Рис. 6).
Таблица 3. Адаптивные факторы электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики при концентрации частиц TiO2 – 150 г/л с использованием латунного электрода-инструмента, где группа П- факторов применялась для формирования прорези в электроде-покрытии, а группа Аn-факторов, где n=1…13, использовалась для электроэрозионного текстурирования алюмооксидной керамики
Фактор
Номер эксперимента Обрабатываемый материал Напряжение (U), В
Частота (F), кГц
Длительность (D), мкс
Скорость пере- мотки (R),м/мин Натяжение (T),Н Скорости подачи (W), мм/мин
Значение
Диэлектрическая алюмооксидная керамика
25 30 25
1 2 2,5 22,5
Медное покрытие
108 7
0,3
30 25 55 30
0,1
3 0,25
(a)
(б)
Рис. 6. Результаты эксперимента с использованием значений адаптивных факторов электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики: (а) сразу после обработки; (б) после снятия покрытия
Результаты исследований электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики с использованием ассистирующего никельхромового электрода-покрытия (12 мкм) и TiO2, SnO суспензий продемонстрировали наиболее выразительный результат в части текстурирования при использовании концентрации TiO2, SnO частиц –150 г/л, и использовании латунной проволоки
60 А1 72 А2 60 А3 72 А4 60 А5 72 А6 60 А7 72 А8 48 А9 36 А10 48 А11 48 А12 48 А13
П
(Таблица 4, Рис. 7; глубина прорези для SnO порошка – 68,99 мкм) и вольфрамовой проволоки (глубина прорези для SnO порошка – 31,39 мкм).
(a) (б)
Рис. 7. Результаты экспериментов с использованием вольфрамового электрода-инструмента (TiO2 – 150 г/л): (а) оптическая микроскопия для факторов обработки – напряжение U = 108 В, частота F = 10 кГц, длительность импульса D = 2,7 мкс, скорость перемотки R = 3,4 м/мин
и скорость подачи W = 0,05 мм/мин; (б) оптическая микроскопия поперечного сечения сформированной текстуры для факторов обработки – напряжение U = 108 В, частота F = 10 кГц, длительность импульса
D = 2,68 мкс, скорость перемотки R = 3,4 м/мин
и скорость подачи W = 0,05 мм/мин
Таблица 4. Факторы электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики при концентрации частиц TiO2 – 150 г/л с использованием никелевого электрода-покрытия (Ni-Cr, 12 мкм) и латунного электрода-инструмента (CuZn35, Ø0,25) в деионизированной водной среде
Фактор
No U, В
F, кГц D, мкс
R, м/мин
(T), Н
W, мм/мин
Значение
7 0,25 0,3
11 1.5 2 223 2.5 4 15 1.5 10 6 27 2.5 8 19
1.5 15 2
11
13
15
17
19
2.5 1
1.5 20 2
2.5 1
1.5 25 2
2.5
1.75 17 1.75 17
86 21 72 22
В четвертой главе приводится количественный и качественный химический анализ полученных текстур, который показал равномерное распределение химических элементов, таких как алюминий и кислород, и осажденную на поверхности медь ассистирующего электрода-покрытия. При использовании суспензии TiO2 (150 г/л), количество осажденной меди увеличивается многократно (81,1 %), при этом также обнаруживается цинк (2,6 %) и титан (1,5 %) из латунного электрода-инструмента и ассистирующего порошка.
Проводился анализ производительности обработки алюмооксидной керамики на основе применения ассистирующих техник для использования медного электрода-покрытия толщиной 120 – 180 мкм с ассистирующей суспензией TiO2 в зависимости от концентрации порошкового материала 50, 100, 150 г/л в водной среде в диапазоне длин импульса электрического тока 2 – 11 мкс. В результате с помощью оптической микроскопии (Olympus BX51M, Ryf AG, Швейцария) получены параметры прорези.
Графическая презентация результатов, которая показывает связь между скоростью съема керамики, концентрацией ассистирующего порошка и частотой электрических импульсов, представлена на Рис. 8. Рациональные значения факторов обработки составили: концентрация – 100 г/л, частота импульсов – 5 – 8 кГц.
Рациональные факторы, обеспечивающие лучшую производительность
Рис. 8. Производительность электроэрозионной обработки алюмооксидной керамики на основе применения трёхслойного электрода-
покрытия на медной основе и ассистирующей TiO2 суспензии, мм3/с
Из графика видно, что максимальные значения скорости съема материала 0,04 – 0,05 мм3/с и минимальные значения межэлектродного зазора, соответствующие стабильному режиму обработки, характеризующиеся

равномерной плотностью электрических разрядов, были достигнуты при частоте импульсов электрического тока 5 – 8 кГц, концентрации суспензии ассистирующего порошка TiO2 100 г/л на водной основе при использовании медного электрода-покрытия толщиной ~120 мкм.
Анализ производительности обработки алюмооксидной керамики на основе применения ассистирующих техник (никельхромовый электрод- покрытие, SnO-суспензия) показал, что максимальные значения скорости съема материала 0,001 мм3/с и минимальные значения межэлектродного зазора, соответствующие стабильному режиму обработки, характеризующегося равномерной плотностью электрических разрядов, были достигнуты при частоте импульсов электрического тока 30 кГц, концентрации суспензии ассистирующего порошка SnO 150 г/л на водной основе при использовании вспомогательного медного электрода-покрытия толщиной 10 – 15 мкм (Рис. 9).
Рациональные факторы, обеспечивающие обеспечивающие лучшую производительность
Рис. 9. Производительность электроэрозионной обработки алюмооксидной керамики на основе применения электрода-покрытия на никельхромовой основе и ассистирующей SnO суспензии, мм3/с
Полученные данные производительности для двух вариантов покрытий хорошо согласуются с теорией электропроводности и шириной запрещенной зоны:
– чем выше удельная электропроводность, тем выше производительность электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики на основе применения вспомогательного электрода;

– чем меньше ширина запрещенной зоны ассистирующего порошкового материала (тем более проводниковыми свойствами обладает полупроводник), тем выше производительность электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики на основе применения вспомогательного электрода.
Технологические рекомендации для электроэрозионной обработки алюмооксидной керамики на основе применения электродов-покрытий приведены для двух типов разработанных электродов-покрытий:
– на медной основе и с ассистирующей TiO2 суспензией (100 г/л);
– на никелевой основе и с ассистирующей SnO суспензией (150 г/л). Технологические рекомендации включают в себя рациональные параметры
рекомендованного отступа электрода-инструмента от вырезаемого контура детали (искрового зазора) для черновой и финишной обработки, которые соответствуют минимальным и максимальным значениям искрового зазора полученного при проведении эксперимента.
Факторы электроэрозионной обработки для медного покрытия и TiO2 суспензии составили:
– длительность импульса электрического тока D – 8,0 мкс для черновой обработки и 2,0 – 5,0 мкс для чистовой обработки;
– концентрация суспензии – 100 г/л для черновой обработки и 50 г/л для чистовой обработки;
– рекомендуемый отступ электрода-инструмента от контура реза Δ* – 60 мкм для черновой обработки и 40 мкм для чистовой обработки.
Факторы электроэрозионной обработки для никель-хромового покрытия и SnO суспензии (150 г/л) составили:
– длительность импульса электрического тока D – 1,7 – 2,4 мкс для черновой обработки и 2,7 мкс для чистовой обработки;
– частота импульса электрического тока F – 30 кГц для черновой обработки и 20 кГц для чистовой обработки;
– рекомендуемый отступ электрода-инструмента от контура реза Δ* – 90 – 100 мкм для черновой обработки и 10 мкм для чистовой обработки.
Полученные данные свидетельствуют о том, что разработанный способ превосходит аналоги в 8,84 и 2,12 раза по производительности, соответственно (Таблица 5). Разработанный способ обладает еще и некоторыми особенностями, позволяющими его выделить среди опубликованных ранее работ:
– обработка проводилась в суспензии на основе деионизированной воды без применения углеводородов и углеродных частиц;

19
– обработка проводилась
перематывающегося электрода-инструмента, обладающего меньшей площадью поверхности обработки.
Таблица 5. Сравнение параметров производительности электроэрозионной обработки диэлектрической алюмооксидной керамики на основе применения ассистирующих средств
с использованием непрерывно
Ассистиру- ющий порошковый материал
Производи- тельность обработки, мм3/с
Электрод- инструмент
Электрод- покрытие
Рабочая среда
Источник данных
0,0451
Латунная проволока, ⌀0,25 мм
Латунная проволока, ⌀0,25 мм
Медная призма, 5 × 5 мм
Медная трубка ⌀3,5 (⌀3,0) мм
Медная лента, 180 мкм
Ni-Cr покрытие, 12 мкм
я лента
Частицы TiO2, ⌀10 мкм, 100 г/л
Частицы SnO, ⌀10 мкм, 150 г/л
Не указано Углеродна Частицы
Деионизи -рованная вода
Деионизи -рованная вода
0,0014
Результаты исследования
Результаты исследования
Al2O3 (92%)* Al2O3 **
Медная фольга, 6 мкм
0,0051 Керосин 0,0213
Минераль ное масло
(а)
(б)
(в)
графита, ⌀30 мкм, 7 – 10 г/л
* M. A. Moudood, A. Sabur, M. Y. Ali, et al., Effect of Peak Current on Material Removal Rate for Electrical Discharge Machining of Non-conductive Al2O3 Ceramic, Materials, Industrial, And Manufacturing Engineering Research Advances 1.1, Advanced Materials Research 845 (2014) 730-734.
** G. Kucukturk, C. Cogun A New Method For Machining Of Electrically Nonconductive Workpieces Using Electric Discharge Machining Technique, Mach. Sci. Technol. 14 (2010) 189- 207.
Рис. 10. Пример текстурирования детали типа «Пластина»,
где (а) перпендикулярное текстурирование, (б) параллельное текстурирование, (в) перекрестное текстурирвание
Примеры изделий, которые могут быть получены с использованием разработанного способа приведены на Рис. 10. На приведённом изображении видно, что разработанный способ подходит для текстурирования детали типа «Пластина».
В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.
1.В работе решена актуальная для современного машиностроения и металлообработки научно-техническая проблема, состоящая в обеспечении производительной электроэрозионной микрообработки алюмооксидной керамики на основе применения ассистирующих техник – электрода-покрытия и порошкового материала.
2. На основе проведенного комплекса экспериментальных исследований установлены закономерности между производительностью электроэрозионной микрообработки диэлектрической алюмооксидной керамики с использованием техники вспомогательного электрода и частотой импульсов электрического тока в межэлектродном зазоре, электрическими свойствами материала ассистирующего электрода, концентрацией ассистирующего порошкового материала в межэлектродном зазоре.
3.Установлено, что максимальные значения скорости съема материала 0,04 – 0,05 мм3/с и минимальные значения межэлектродного зазора, соответствующие стабильному режиму обработки, характеризующегося равномерной плотностью электрических разрядов, были достигнуты при частоте импульсов электрического тока 5 – 8 кГц, концентрации суспензии ассистирующего порошка TiO2 100 г/л на водной основе при использовании вспомогательного медного электрода-покрытия толщиной ~120 мкм.
4. Разработаны технологические рекомендации по изготовлению вспомогательного никель-хромового электрода-покрытия толщиной 10 – 15 мкм, нанесенного вакуумно-плазменным методом из паровой фазы, и формированию трёхслойного медного электрода-покрытия толщиной 120 – 180 мкм адгезионным методом с выдержкой в печи в течении 1 часа при 180 °С для технологических задач применения способа электроэрозионной микрообработки алюмосодержащей керамики, и, в частности, текстурирования поверхности изделия типа пластина.
5. Разработаны технологические рекомендации по высокопроизводительному текстурированию поверхности изделия типа пластина, выполненного из диэлектрической алюмооксидной керамики, методом усовершенствованной электроэрозионной обработки на основе применения ассистирующего электрода-покрытия из никель-хрома
химического состава ХН77 и меди, ассистирующих порошковых материалов SnO, TiO2.
6. Проведенный комплекс работ доказал эффективность комбинированного подхода при микрообработке поверхности детали типа пластина на глубину до 70 мкм с использованием латунной проволоки диаметром 0,25 мм, трёхслойного медного покрытия толщиной 120 мкм и TiO2- суспензии с концентрацией 100 г/л при частоте импульсов 5 – 8 кГц, а также на глубину до 70 мкм с использованием латунной проволоки диаметром 0,25 мм, никельхромового покрытия толщиной 10 – 15 мкм и SnO-суспензии с концентрацией 150 г/л при частоте импульсов 10 – 20 кГц, длине импульса 1 – 2,5 мкс.
7. На основе полученных теоретических и экспериментальных результатов исследований, а также опыте текстурирования поверхности детали пластина, выполненной из диэлектрической алюмооксидной керамики, установлено, что разработанный способ электроэрозионной обработки на основе применения вспомогательного электрода-покрытия и соответствующие технологические рекомендации позволяют повысить производительность обработки в 2 раза в сравнении с ранее публикованными данными.