Введение

В настоящее время наблюдается тенденция замещения металлических деталей машин на изделия из современных композиционных материалов. Развитие химических технологий в области синтеза позволяет получать полимерные композиционные материалы (ПКМ), обладающие высоким уровнем физико-механических свойств, что определяет экономическую эффективность их применения при создании изделий ответственного назначения.

Механические свойства ПКМ, такие как прочность, жесткость и деформируемость, во многом определяет наполнитель. Наиболее распространены наполнители в виде волокон или тканей, плетеные или 3D-армированные. Представлены на рынке и получили широкое распространение у разработчиков и изготовителей изделий из ПКМ ткани, однонаправленные ленты и ровинги (углеродные, стеклянные, базальтовые и органические) [1–7].

Монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям обеспечивает матрица (связующее). Современные российские ПКМ созданы с использованием новых связующих, обладающих различными теплостойкостью и прочностью. Благодаря этому ПКМ могут соответствовать повышенным требованиям к упруго-прочностным характеристикам и эксплуатационной стабильности, которые необходимы для обеспечения работоспособности конструкций. Широкая вариативность требует отдельного подхода при выборе как технологий изготовления и обработки ПКМ, так и инструментария и методов контроля качества изготовленных из них изделий [8, 9].

Ярким примером реализации такого подхода может быть мотогондола двигателя ПД-14 для самолета МС-21, выполненная из материалов на основе углепластиков ВКУ-25, ВКУ-29, ВКУ-39, стеклопластика ВПС-48/7781 и др. разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Данные материалы прошли квалификационные испытания и применяются для изготовления современных изделий российской авиационной промышленности, налажено их производство [10, 11].

Для производства полноценных изделий из ПКМ требуется их дальнейшая обработка. Одним из сдерживающих факторов применения ПКМ является ограниченность технологических возможностей при обработке изготовленных изделий из-за специфических свойств пластиков [12, 13].

Часто в процессе механической обработки материала происходят расслоение пластика и скол связующего из-за недостаточного охлаждения и, соответственно, повышенной температуры зоны реза, при этом открывается доступ к текстильному наполнителю. В итоге это приводит к образованию локального дефекта, а в дальнейшем – к снижению уровня эксплуатационных свойств изделия. Для получения перфорированных отверстий, глухих пазов и других конструктивных элементов часто используют механическую обработку. Несмотря на широкое распространение, лезвийная обработка изделий из ПКМ характеризуется рядом технологических сложностей: высокий износ инструмента, образование сколов и трещин в изделии. Кроме того, процесс сопровождается возникновением мелкодисперсной пыли, что является неблагоприятным фактором как для оператора, так и для технологического оборудования. Значения ширины реза не позволяют изготавливать и в дальнейшем обрабатывать изделия, имеющие небольшие габариты.

Наименьшую ширину реза можно обеспечить при использовании проволочно-вырезной электроэрозионной обработки (ПВЭЭО) [14–16]. С помощью данной технологии можно обрабатывать криволинейные профили с заданной точностью и изделия из ПКМ, имеющие малые габариты. Для осуществления ПВЭЭО необходимо создать высокую концентрацию энергии в зоне разряда. Пробой межэлектродного промежутка представляет собой плазменный канал, увеличивающийся со временем из-за высокого внутреннего давления [17].

Процесс образования пробоя зависит от множества факторов: свойств и степени загрязнения рабочей жидкости продуктами эрозии, материала электродов и др. После прохождения импульса тока напряжение между электродами отсутствует, происходит деионизация рабочей жидкости, т. е. нейтрализация заряженных частиц. Пространство между электродами подготавливается для нового прохождения очередного заряда. Вновь приложенное к электродам напряжение создает предпосылку к образованию следующего разряда электрического импульса, т. е. повторяется процесс образования стримера. Совокупность электрических разрядов, проходящих от электрода-детали к электроду-инструменту с определенной частотой следования, реализует процесс ПВЭЭО. Количества выделяемой тепловой энергии и снимаемого с поверхностей электродов материала неодинаковы. Данное неравновесие зависит от теплофизических свойств материалов электродов, параметров рабочих импульсов и полярности рабочих импульсов [18–23]. Варьируя этими факторами, можно увеличить или уменьшить эрозию электродов. Осуществление разряда регламентируется приложенным к электродам напряжением, временем формирования импульса, состоянием рабочей жидкости и величиной межэлектродного зазора.

В работах [21–23] исследованы возможности электроэрозионной обработки ПКМ. Установлено, что токопроводимость ПКМ ограничена из-за наличия связующего. Часто в роли связующего выступает эпоксидная смола, которая в процессе обработки разрушается на кромках отверстий за счет скалывания, высоких температур и неэффективного охлаждения поверхности [24].

В работах [25–28] изучена обработка материалов, обладающих низкой токопроводностью, методом ПВЭЭО. Установлено, что качество и точность создаваемых отверстий в материале, обладающем низкой токопроводностью, можно регулировать за счет наложения токопроводящего слоя-маски (рис. 1).

Одним из факторов, влияющих на точность обработки ПКМ данным методом, является величина межэлектродного зазора. Погрешность межэлектродного зазора зависит от неоднородностей структур электрода-инструмента и обрабатываемой заготовки, а также свойств рабочей жидкости.

Количество удаляемого с заготовки металла и размеры электроэрозионных лунок зависят от таких факторов, как свойства рабочей жидкости, физико-механические свойства ПКМ и параметры обработки. Соответственно, при обработке ПКМ на поверхности заготовки образуются лунки различных размеров. Данный фактор существенно усложняет прогнозирование значения межэлектродного зазора и соблюдение точности ПВЭЭО [29]. На рис. 2 показано, что на точность обработки влияет совокупность различных факторов.

Рис. 1. Наложение токопроводящего слоя на материал с низкой токопроводностью

Рис. 2. Факторы, влияющие на точность проволочно-вырезной электроэрозионной обработки

В настоящее время существует потребность в разработке теоретических моделей, которые позволяют находить параметры ПВЭЭО полимерных композитов, обеспечивающие необходимую точность [30, 31].

Актуальной задачей является получение теоретической и эмпирической зависимостей точности ПВЭЭО поверхностей сложнопрофильных изделий, выполненных из ПКМ, от параметров электроэрозионной обработки, физико-механических свойств материала и толщины заготовки.

В данной работе представлены исследования, направленные на изучение ПВЭЭО углепластика марки ВКУ-29 разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

Проведено факторное планирование эксперимента с целью получения зависимости величины межэлектродного зазора от режимов ПВЭЭО. Технология ПВЭЭО относится к бесконтактным методам резки. Следовательно, при расчете ширины реза следует учитывать размер электрода-инструмента (2R), величину межэлектродного зазора S и вносить корректировки в управляющую рабочую программу (рис. 3). Правильная коррекция позволит обеспечить необходимую точность обработки.

Рис. 3. Формирование величины коррекции B в плоскости обработки XY: R – радиус электрода-инструмента, м; S – межэлектродный зазор, м; B – коррекция, м

В качестве обрабатываемого материала выбрана пластина из углепластика толщиной 2 мм, токопроводящего слоя – титановая пластина толщиной 1 мм.

Эксперименты проводили на проволочно-вырезном электроэрозионном станке, в качестве рабочей жидкости использовали дистиллированную воду. Обработку проводили при постоянной скорости смотки проволоки 1 м/мин.

Ширину реза измеряли на световом микроскопе при увеличении ×100.

Для изучения внутренней структуры и влияния оригинального алгоритма электроэрозионной обработки тканого композиционного материала ВКУ-29 проведена томографическая съемка полученного образца на микротомографе, расположенном в Институте механики сплошных сред УрО РАН. Съемку осуществляли при следующих параметрах: напряжение на рентгеновской трубке 58 кВ, сила тока 92 мкА, разрешение (размер ребра вокселя) 3 мкм, время экспозиции 900 мс, шаг вращения образца 0,1 градуса со съемкой на 360 градусов с усреднением по трем кадрам. Продолжительность съемки составила 5 ч 12 мин.

Полученный стек из 3600 теневых проекций реконструирован в набор двумерных поперечных сечений с применением методик компенсации ошибки в определении положения образца, вызванной, как правило, дрейфом эмиттера источника рентгеновского излучения, тепловым расширением объекта съемки внутри или случайными механическими вибрациями [32].

Последующая обработка набора двумерных поперечных сечений в программном обеспечении СТАn включала анализ тканой структуры образца и выявление возможных дефектов.

Полученный стек рентгеноплотностных срезов использован для стереологических реконструкций и визуализации трехмерных моделей тканой структуры образца.

Экспериментальные исследования влияния режимов электроэрозионной обработки на величину межэлектродного зазора осуществляли по методу полного факторного эксперимента. Для проведения эксперимента поставлено 15 опытов, которые проводили в зависимости от выбранных режимов обработки согласно составленной матрице планирования.

Во время планирования эксперимента значения всех параметров кодировали линейным преобразованием координат факторного пространства. Проведена стыковка начала координат и нулевой точки, выбраны масштабы по осям соответственно единицам интервалов факторов варьирования.

В качестве входных факторов выбраны: U – напряжение, В; Т_оn и Т_оff – время включения и выключения импульса, мкс.

Кодировка входных параметров представлена в табл. 1. Значение ширины электроэрозионного реза является выходным параметром и представляет собой совокупность диаметра электрода-инструмента и величины бокового зазора.

Таблица 1

Кодировка параметров

Для достоверности каждый эксперимент проводили в трехкратной повторности. Составлена матрица планирования эксперимента с учетом «звездного» плеча (табл. 2).

Таблица 2

Матрица планирования эксперимента

Значимость коэффициентов оценивали по критерию Стьюдента. Адекватность модели проверяли по критерию Фишера.

Результаты и обсуждение

Согласно проведенному полному факторному эксперименту и сопутствующему регрессионному анализу, получена регрессионная зависимость, с помощью которой можно рассчитать величину межэлектродного зазора:

Анализ регрессионной зависимости, полученной для заготовки из конструкционного углепластика марки ВКУ-29, показал, что на значение ширины реза влияет совокупность всех входных факторов. Для наглядного изображения регрессионная зависимость представлена в виде гиперповерхности (рис. 4).

Рис. 4. Гиперповерхность при времени выключения импульса 10 мкс

На основе анализа полученной гиперповерхности сдeлан вывод, что при постоянном врeмeни выключeния импульса 10 мкс функция отклика измeняeтся по квадратичной зависимости, вeличина напряжeния – по линeйной зависимости. Установлeно, что наибольшee значeниe ширины рeза (350 мкм) достигаeтся при напряжeнии 100 В и врeмeни включения импульса 10 мкс, наимeньшee (275 мкм) – при 50 В и 5 мкс соответственно. С помощью полученных рeзультатов можно коррeктировать размeр электрода-инструмента для обeспeчения точности ПВЭЭО.

На основе получeнной тeорeтичeской модeли написана управляющая рабочая программа, обeспeчивающая изготовлeниe издeлия типа «шестерня» с использованием проволочно-вырeзного элeктроэрозионного станка с систeмой числового программного управлeния.

Обработку проводили при режимах, представленных в методике исследования: время включения и выключения импульса составляет 15 и 50 мкс соответственно, напряжение 50 В.

С использованием данной теоретической модели рассчитано значение коррекции траектории движения инструмента В = 0,165 мм. При обходе рабочего контура изделия типа «шестерня» значение коррекции движения инструмента вносят в управляющую программу с помощью команды G41.

На рис. 5 представлены фотография и схематический чертеж образца с характерными размерами; штриховкой обозначены области микротомографической съемки.

Рис. 5. Фотография (а) и чертеж (б) установленного для съемки образца (штриховкой обозначена область съемки)

При обеспечении стабильности процесса ПВЭЭО данная рабочая программа позволяет получить изделие типа «шестерня» с заданной точностью.

На рис. 6 представлена реконструированная 3D-структура образца.

Рис. 6. 3D-изображения образца с разных ракурсов

На изображении в центральной части образца визуально определяется ориентация тканой структуры, в области зубьев шестерни наблюдаются области менее плотные, чем центральная часть.

Поверхность зубьев и прилегающая зона до глубины 1 мм также характеризуются областями сильного наплавления материала, чередующимися с полосами отсутствующего материала. Это объясняется его выкрашиванием в процессе электроэрозионной обработки (рис. 6 и 7).

Анализ продольных и поперечных сечений образца показал, что в структуре центральной области, не подвергавшейся электроэрозионной обработке, наблюдаются единичные дефекты в виде пустот и расслоений тканого материала (выделенные области на рис. 7, а, б). Глубина и толщина поверхности электроэрозионной обработки неоднородны, в зубьях наблюдаются сколы материала (выделенные области на рис. 7, в, г). Многочисленные пустоты, приповерхностное растрескивание и расслоение тканой структуры, достигающее глубины до 1 мм, наблюдаются по всей поверхности обработки, а мозаичная картина дополняется областями повышенной плотности – наплавленным материалом (рис. 7).

Рис. 7. Продольные (а–г) и поперечные (д, е) сечения образца

Заключения

Проведен полный факторный эксперимент и получена теоретическая модель, позволяющая рассчитать значение коррекции инструмента при написании управляющей программы обработки детали.

Исследована 3D-структура материала ВКУ-29 после проволочно-вырезной электроэрозионной обработки методом компьютерной томографии. Показано, что структура композита является однородной, визуально определяется ориентация тканого полотна, наблюдаются единичные пустоты и дефекты.

Установлено, что при электроэрозионной обработке поверхности образца наблюдается мозаичная картина пустот, растрескиваний, сколов и расслоений композитного полотна с областями сильного наплавления материала до глубины 1 мм. Такая поверхностная и приповерхностная неоднородность материала, вызванная электроэрозионной обработкой, может привести в процессе эксплуатации к преждевременному разрушению изготовленных из него деталей. Актуально применение щадящих режимов чистовой обработки во избежание появления дефектов.

Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет–2030».