Технические науки / 8.Обработка материалов в машиностроении.

Д.э.н. Спешилова Н.В., к.т.н. Юршев В.И., к.т.н. Рахматуллин Р.Р.,

магистрант Киякин В.С.

Оренбургский государственный университет, Россия

Повышение эффективности производства за счет внедрения

ресурсосберегающих технологий совершенствования процесса

электроискровой обработки металла в условиях Индустрии 4.0

Актуальность: в настоящее время, в условиях четвертой

промышленной революции (так называемой Индустрии 4.0) все большее

внимание уделяется применению ресурсосберегающих технологий, приводящих

к сокращению затрат и увеличению эффективности производства. Так,

использование различных подходов к совершенствованию процессов

электроискровой обработки металла, можно рассматривать как реализацию

инновационных процессов по ресурсосбережению непосредственно на

производстве. В статье показаны возможности управления технологическими

параметрами электроискровой обработки, представлены результаты

экспериментальных измерений и соответствующие выводы.

Ключевые слова: промышленность, обработка металла,

ресурсосберегающие технологии, инновации, электроискровая обработка.

Процент внутренних затрат на проведение научных исследований и

разработок в организациях сектора информационно-коммуникационных

технологий (ИКТ) от валового внутреннего продукта (ВВП) имеет

незначительную тенденцию роста. Оценивая количество организаций,

проводящих научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы

(НИОКР) и количество занятых в них, можно констатировать, что за 20 лет они

уменьшились в среднем на 20% [3]. Данная проблема возникла вследствие

эмиграции высоквалифицированных молодых специалистов, так как в

Российской Федерации тяжело продемонстрировать свой потенциал и добиться

карьерного роста. В данной сфере стоит следующая задача – повышать

эффективность, отдачу от исследовательских работ и разработок, и к тому же

делать их конкурентоспособными на мировом рынке [3].

Сегодня, ведя разговор о повышении эффективности производства в

целом, особое внимание следует уделять внедрению инновационных

разработок с целью формирования конкурентных преимуществ предприятий,

функционирующих в современных экономических условиях – четвертой

промышленной революции, получившей название «Индустрия 4.0» [6, 7].

В погоне за уменьшением времени изготовления, повышением качества

изготавливаемой продукции, сокращением издержек производства и

экономической выгодой, многие предприятия прибегают к внедрению новых

технологий, а также совершенствованию старых. Одной из таких технологий

является электроискровая обработка металлов.

Эксплуатационная надежность инструментов разного рода назначения,

деталей машин и механизмов зависит в большей степени от свойств

поверхностного слоя этих изделий и качества поверхности.

В странах с развитой промышленностью для модификации рабочих

поверхностей деталей и формирования на них поверхностных слоев с

требуемыми эксплуатационными свойствами используются различные методы,

в том числе электроискровая обработка (ЭИО). Установлено, что покрытия,

наплавленные электроискровым методом, гарантируют повышение их

износостойкости более чем в 1,5 раза, а получаемые рельефы, всесторонне

отвечают условиям контакта деталей [2].

Широкие возможности управления технологическими параметрами

ЭИО и характеристиками формируемых покрытий допускают создавать на

изделиях (инструментах, деталях) поверхностные слои разного рода функций и

назначений.

Электроискровое нанесение износостойких защитных покрытий

является одной из ресурсосберегающих технологий, позволяющих повысить

долговечность машин и механизмов, а значит и эффективность

производственных процессов. Несмотря на повышенный интерес к таким

покрытиям, многие вопросы, связанные с их формированием, взаимодействием

продуктов эрозии компактных и порошковых электродов и материалов основы,

влиянием структурно-фазовых изменений исходных материалов на физико-

механические свойства, в том числе и сопротивление усталости системы

«покрытие-основа», остаются нерешенными. Это приводит к ограниченному

применению данной технологии.

Нанесенный на рабочую поверхность детали, электроискровой слой

имеет более прочную связь с основой, если его образование сопровождается

химическими и диффузионными процессами. Химическая адгезия напрямую

связана с температурой плазмы (L, °С), образующейся в межэлектродном

пространстве, а также зависит от емкости (C) накопительных конденсаторов

[3]. Используя различные режимы обработки поверхности (такие как: емкость

конденсатора, напряжение), получены расчеты на основании наплавки

поверхности различными электродами, такими как: Р6М5 (быстрорежущая

сталь), У8А (инструментальная низкоуглеродистая сталь), Т15К6 (твердый

сплав).

Образец: сталь 30 ХГСА (НВ 10-1 = 229МПа, σв = 655 МПа,

σ0,2 = 490 МПа).

Обзор последних достижений в области ЭИО показал следующие типы

нанесения покрытий:

- электроискровое легирование в гетерогенных средах;

- электроискровое легирование электродами с обмазкой;

- электроискровое легирование порошковыми электродами;

- термореакционное электроискровое легирование.

Одним из решения совершенствования процесса электроискрового

легирования является введение новых типов электродов. Были проведены

исследования влияния на рельеф поверхности обработкой различными из них

[4]. В распоряжении были следующие типы электродных материалов:

- быстрорежущая сталь Р6М5;

- твердый сплав Т15К6;

- инструментальная углеродистая сталь У8А.

В ходе работ выяснилось, что такие электроды как Р6М5 и У8А очень

сильно прилипают к поверхности во время обработки и ухудшают стабильность

горения дуги в отличие от твердого сплава Т15К6. С целью совершенствования

технологического процесса электроискровой обработки нами было предложено

нанесение на обработанную поверхность карбоната кальция в виде мела.

Известно, что устойчивость дугового разряда повышается с увеличением

степени ионизации междугового пространства. При этом, повышается

температура дуги и улучшаются условия массопереноса в дуге [1].

Карбонат кальция CaCO3 при нагреве в электроискровом разряде

диссоциирует в: CaCO3 – CaO + CO2. Далее оксид кальция CaO распадается с

образованием ионов кальция Ca+, которые являются переносчиками заряда, то

есть повышаются потенциал ионизации и увеличивается электропроводимость

межэлектродного пространства.

На рисунке 1 (а, б) показаны два рельефа поверхности обработанной с

помощью карбоната кальция и без него:

а) б)

а) Рельеф поверхности (электродный материал У8А, режим обработки 45 В,

270 мкФ, без карбоната кальция),

б) Рельеф поверхности (электродный материал У8А, режим обработки 40 В,

250 мкФ, с нанесением на подготовленную поверхность карбоната кальция)

Рисунок 1 – Рельефы поверхностей после ЭИО

Поверхность с нанесенным карбонатом кальция очень сильно

неустойчива к пригару, т.к. распад кальция и кислорода происходит слишком

быстро, то дуга горит стабильнее, но увеличиваются потери на угар, оставляя за

собой лунки. Это является главным минусом такого метода обработки.

Возможное уменьшение режимов обработки может повлиять на скорость

протекания процессов, а также сократить потери на угар.

Фотографии рельефов всех исследуемых образцов, наплавленных

разными электродами, были получены с помощью металлографического

микровизора Vizo-MET – 221 при увеличении 100 крат.

Также было проверено влияние режимов на наплавляемую поверхность.

Данные рельефы представлены на рисунках 2 (а, б, в, г).

а) б)

в) г)

а) Рельеф ( Электрод У8А, 45 В, 270 мкФ) увеличение х100,

б) Рельеф (Т15К6, 66 В, 315 мкФ) увеличение х100,

в) Рельеф (Электрод Т15К6, 35 В, 245 мкФ) увеличение х100,

г) Рельеф (Электрод Т15К6, 66 В, 315 мкФ) увеличение х100

Рисунок 2 – Рельефы поверхностей после изменения режимов обработки

Как можно заметить, рельеф поверхности отличается в зависимости от

режима. Более жесткие режимы (повышение напряжения и емкости

конденсатора) оставляют более грубую поверхность, имеющую большую

шероховатость, в некоторых местах наблюдаются кратеры от пригаров, такие

поверхности требуют дополнительной механической обработки. Уменьшение

режимов наплавки позволяет повысить качество поверхности, снизить её

шероховатость, повысить прочность и т.д.

В ходе эксперимента, была измерена твердость наплавленной

поверхности разными электродами. Твердость всех образцов измерялась с

помощью твердомера типа ТН-301. Измеренная твердость представлена в

таблице 1.

Таблица 1 – Твердость покрытия исходя из режимов обработки

Электродный

материал

Твердость, HRC Твердость

сердцевины, HRC

Напряжение, В

Т15К6 29-22 17 66

Т15К6 30-29 17 55

Т15К6 45-42 18 35

Р6М5 40-37 14-10 40

У8А 38-34 17 35

Исследование показало, что твердость повышается с уменьшением

напряжения. Так, при напряжении 40 В, электрод Р6М5 не уступает твердостью

наплавленного слоя твердому сплаву Т15К6, а в некоторых случаях даже

превосходит его. Более мягкие режимы способствуют уменьшению

разбрызгивания и стабильному переносу металла электрода на поверхность.

Также были проведены испытания наплавления поверхности в течение двух

минут, при которых нам удалось посчитать массу электрода и материала. В

таблице 2 представлены результаты измерения массы при наплавке.

Таблица 2 – Результаты измерения массы

№

п/п

Электродный

материал

Напряжение,

В

Время,

мин

Емкость,

мкФ

˄m

электрода,

гр.

˄m

образца,

гр.

1 Т15К6 66

60

55

2

2

2

315

310

305

0,012

0,013

0,000

0,003

0,018

0,007

2 Т15К6 50 2 280 0,010 0,007

3 Т15К6 35 2 245 0,005 0,006

4 Р6М5 40 2 250 0,004 0,006

5 У8А 45 2 270 0,000 0,010

Обобщая все вышеперечисленное, можно сделать следующие выводы:

1) использование карбоната кальция при наплавке поверхности

повышает стабильность горения дуги, улучшает металоперенос с электрода на

поверхность образца, но также увеличивает потери на угар и позволяет

получить не очень четкий рельеф, требующий дополнительной обработки;

2) использование более мягких режимов (таких как, напряжение 35 В,

емкость 245 мкФ) позволяет получить максимальную твердость поверхности

(45 HRC);

3) электроды из быстрорежущей стали и углеродистой

инструментальной пригодны для наплавки поверхности, но при определенных

условиях требуются:

- дополнительная обработка поверхности, во избежание прилипания;

- более мягкие режимы работы, по сравнению с режимами, которые

пригодны для твердых сплавов и легированных сталей.

Таким образом, проведенные эксперименты дают возможность

определить направления совершенствования процессов электроискровой

обработки металла.

В заключение следует отметить, что реализация процессов

совершенствования промышленных производств с применением НИОКР,

неизбежна для Российской Федерации. Для ускоренного и эффективного

развития необходимо: стимулировать масштабное внедрение инноваций и

технологическую трансформацию в отраслях, особенно в промышленности. В

основе технологического развития предприятий будет лежать развитие

глобальных промышленных сетей и соответствие требованиям Индустрии 4.0,

причем, государству необходимо оказать поддержку обществу на пути к

освоению цифровых требований.

Литература

1. Верхотуров, А.Д. Электродные материалы для электроискрового

легирования / А.Д. Верхотуров, И.А. Подчерняева, Л.Ф. Прядко, Ф.Ф. Егоров. –

М: Наука, 1988. – 56 с.

2. Гитлевич, А.Е. Электроискровое легирование металлических

поверхностей / А.Е. Гитлевич, В.В. Михайлов, Н.Я. Парканский. – Кишинев,

1985. – 523 с.

3. Кошелева Ю. Сможет ли Россия стать центром инноваций? – Режим

доступа: https://www.zelao.ru/13/29339-smojet-li-rossiya-stattsentrom-innovatsiy/

4. Режимы электродов для электроискровой обработки – Режим

доступа: https://extxe.com/2096/jelektrojerozionnaja-obrabotka-materialov/

5. Полищук, С.Д. Технологические особенности электроискрового

упрочнения // Машиностроительные технологии и инструменты, 2012. – №5. –

114 с.

6. Спешилова Н.В., Андриенко Д.А., Рахматуллин Р.Р., Спешилов Е.А.

Тенденции развития экономики России на фоне общемировых трендов в

условиях четвертой промышленной революции // Вестник Евразийской науки.–

2018.– №6, Том 10. – Режим доступа: https://esj.today/PDF/39ECVN618.pdf

7. Спешилова Н.В., Рахматуллин Р.Р. Родин А.Г. Инновационная

экономика как приоритетное направление развития отечественной

промышленности в условиях макроэкономической нестабильности //

Финансовая экономика. – 2019. – №4 (часть 5). – С. 534 – 538.