Штабик вольфрама: технология изготовления, области применения, обработка деталей

Чтобы изготовить жаропрочное изделие, которое будет эксплуатироваться в тяжёлых условиях, используют вольфрам. Он начинает плавиться при температуре 2019 градусов. Такое свойство становится незаменимым при производстве нитей накаливания, всевозможных сварочных электродов. Штабик вольфрама обладает высокой прочностью, а также высоким электрическим сопротивлением. Вольфрам стал основой жаропрочных сплавов и твёрдых металлов.

Технология изготовления изделия

Вольфрамовый штабик принято считать полуфабрикатом, так как он получается во время изготовления металла. Процесс получения продукта связан с нагреванием водорода, который образуется в огромных количествах. Спекание материала выполняется в несколько этапов.

Для нагревания используется атмосфера водорода — таким образом повышается прочность изделия. Водород защищает деталь от окисления. При определённой температуре материал выдерживается в печи около 30 минут. Затем готовый продукт помещают в холодильник. Здесь он попадает под холодную воду, после чего проводится его охлаждение с использованием сухого водорода. В результате деталь приобретает:

  • Красивый внешний вид.
  • Пористую структуру.
  • Прочную плёнку на поверхности.

Обработка вольфрама выполняется сварочным методом. Штабик зажимают между сварными контактами. Материал охлаждают водой и пропускают ток. В результате нагрева начинает происходить процесс плавления. Подача тока осуществляется электрическим трансформатором. В заводских условиях используется генератор.

В случае больших габаритов вольфрамового штабика, применяется стыковая сварка. Это повышает качество работы и уменьшает количество отходов. Важную роль при такой операции играет плотность материала. Очень сложно обрабатывать металл с низкой плотностью.

Производство методом ковки

Ковке подвергается только сваренный штабик. Его обработка проводится при высокой температуре. Он начинает деформироваться при температуре 2019 градусов. Операция выполняется на ковочной машине ротационного типа. После нагрева увеличивается пластичность материала, он легко обрабатывается.

Сегодня известно несколько видов вольфрама, отличающихся размером кристаллов, из которых состоит структура штабика. Большие кристаллы всегда располагаются на наружной поверхности. Мелкие кристаллы в основном встречаются в середине изделия.

Такая разница размеров во время ковочной обработки может стать причиной появления трещин, которые разрушают деталь. Чтобы такого не происходило, обрабатываются только прямоугольные штабики. Проковка таких изделий происходит со всех сторон, поэтому они отличаются высокой прочностью.

Области применения вольфрама

Обработка детали выполняется только при повышенной температуре. Поэтому из такого металла изготавливают:

  • Сварочные электроды.
  • Прутки.

Эти электроды не плавятся. Их используют для работы с высоколегированными сталями, а также различными металлическими сплавами.

Вольфрамовая проволока применяется для создания нагревательных спиралей в лампах накаливания. Из неё изготавливают термопары, определяющие значение высокой температуры.

Стадии обработки прутков

Если длина штабика не превышает 10−15 см, обработке подвергаются детали диаметром 7 мм. Для получения такого размера поднимают температуру до 2019 градусов. Дополнительным нагревателем выступает молибден.

Для получения изделия диаметром 4,5 мм рабочая температура уменьшается до 2019 °C. Сечение 2,75 мм получается при аналогичной температуре.

Все вольфрамовые прутки подразделяются на несколько групп. Они обозначаются:

  • ВТ.
  • ВЛ.
  • ВИ.
  • ВА.
  • ВЧ.

Для изготовления прутков ВТ, ВЛ, ВИ используется очень высокая температура. Она намного ниже при получении вольфрамовых изделий ВЧ и ВА.

Основой этого материала стали вольфрамовые слитки, изготовленные методом плавления. Горячая обработка таких слитков не делается. Это связано с их структурой, в которую входят грубые кристаллы. При горячей обработке металл начинает трескаться.

Такие слитки обрабатываются горячим прессованием. Степень прессования составляет 90%. Сначала деталь прессуют при температуре 2019 градусов. Затем температуру понижают до 2019 градусов и выполняют повторную операцию. Готовую заготовку отправляют на горячую ковку.

Распространенность на мировом рынке

Больше всего изделий из вольфрама производит Китай. В год он изготавливают 41 тысячу тонн материала. В России эта цифра не превышает 3,5 тысячи тонн. Для получения такого объёма в больших количествах используется вторичное сырье:

  • Остатки карбида вольфрама.
  • Стружка.
  • Порошковый материал.
  • Опилки.

Сегодня наблюдается уменьшение выпуска вольфрамовых нитей. Появилось много альтернативных технологий, касающихся освещения. Вместо обычных лампочек, устанавливают светодиодные лампы. Большой популярностью пользуются люминесцентные осветительные приборы.

1

  • Авторы
  • Резюме
  • Файлы
  • Ключевые слова
  • Литература

Пермяков Г.Л.

1

Абляз Т.Р.

1

Беленький В.Я.

1

1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет

В настоящее время приборостроение является одной из важнейших сфер человеческой деятельности. Широкое применение в приборостроении находят такие материалы, как вольфрам и его сплавы. В связи с тем что большинство деталей приборостроительного производства имеют сложную конфигурацию при небольших размерах, их обработка на лезвийном оборудовании является невозможной. Несмотря на широкое применение технологии проволочно-вырезной электроэрозионной технологии в производстве, данный процесс не изучен в полной мере. Исследование процесса электроэрозионной обработки вольфрама является актуальной задачей. Целью работы является анализ влияния режимов ЭЭО на процесс обработки вольфрама. В работе рассмотрен процесс изготовления детали «Щелевая маска». Материалом заготовки является вольфрамовая пластина ВА по ТУ 48-19-106-91. В работе подобраны режимы резания, позволяющие получить заданные размеры.

вольфрам.

погрешность

точность

электрод инструмент

проволочно-вырезная электроэрозионная обработка

1. Абляз Т.Р. Изучение изменения свойств электродов в зависимости от режимов проволочно-вырезной электроэрозионной обработки // Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. – 2011. – Т. 13, № 1. – С. 87-93.

2. Журин А.В. Методы расчета технологических параметров и электродов-инструментов при электроэрозионной обработке : дис. … канд. техн. наук : 05.03.01. – Тула : ТГУ, 2005. — 132 с.

3. Зеликман А.Н., Никитина Л.С. Вольфрам. – М. : Металлургия, 1978. — 272 с.

4. Лазаренко Б.Р. Электрические способы обработки металлов и их применение в машиностроении. – М. : Машиностроение, 1978. — 40 с.

5. Смитлз К.Дж. Металлы : справ. изд. / пер. с англ. – 1980. – 447 с.

6. Съянов С.Ю. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей при электроэрозионной обработке : дис. … канд. техн. наук : 05.02.08. – Брянск : БГТУ, 2002. — 166 с.

7. Фотеев Н.К. Технология электроэрозионной обработки. – М. : Машиностроение, 1980. — 184 с.

Введение

В настоящее время приборостроение является одной из важнейших сфер человеческой деятельности. Основными продуктами производства данной отрасли являются средства измерения, обработки и представления информации разного рода. Помимо этого, одним из основных направлений в приборостроении является разработка, а также производство испытательной техники. Зачастую к качеству изготовления деталей испытательной техники предъявляются повышенные требования.

В связи с тем что большинство продуктов приборостроительного производства работают под нагрузкой при повышенных температурах, особое внимание уделяется выбору материала заготовок. Широкое применение в приборостроении находят такие материалы, как вольфрам и его сплавы.

Вольфрам широко применяют в современной технике в виде чистого металла и в ряде сплавов, наиболее важные из которых легированные стали, твердые сплавы на основе карбида вольфрама, износостойкие и жаропрочные сплавы [3].

Распространенное применение вольфрама и его сплавов вызвано тем, что он удовлетворяет требованиям, предъявляемым материалам деталей, работающих при экстремально высоких температурах. Металл отличается очень высокой точкой кипения (5900 °С) и весьма малой скоростью испарения даже при температуре 2019 °С. Электропроводность вольфрама почти в три раза ниже электропроводности меди. К свойствам, ограничивающим сферу применения вольфрама, можно отнести большую плотность, высокую склонность к ломкости при низких температурах, малое сопротивление окислению при невысоких температурах. Одна из причин низкотемпературной хрупкости вольфрама – блокировка дислокаций примесями внедрения [3; 5].

Вольфрам и его сплавы относятся к числу наиболее труднообрабатываемых материалов, что обусловлено высокой твердостью, повышенной хрупкостью, малой пластичностью и высокой абразивной способностью. В связи с этим повышение скорости резания ухудшает обрабатываемость, т.к. при резании увеличение скорости не вызывает в деформируемом элементе достаточного увеличения тепловыделения и снижения прочностных свойств. Кроме того, пониженная пластичность вольфрамовых сплавов резко уменьшает площадь контакта резца со стружкой, и при той же силе резания давление на резец возрастает в 2—4 раза, что способствует усиленному износу инструмента [3].

В связи с тем что большинство деталей приборостроительного производства имеют сложную конфигурацию при небольших размерах, их обработка на лезвийном оборудовании является невозможной. Адекватным ответом на предъявленные требования стало применение в производстве методов электрофизического, электрохимического и физико-химического воздействия. При обработке деталей, выполненных из вольфрама сложного профиля, применимы технологии проволочно-вырезной электроэрозионной обработки (ПВЭЭО) и гидроабразивной резки. Данные технологии позволяют получать заготовки и детали любого профиля, независимо от их прочностных характеристик, без применения дополнительной оснастки.

Технология гидроабразивной резки обеспечивает максимальную производительность при обработке вольфрамовых заготовок. Однако, несмотря на преимущества гидроабразивной резки, ее применение ограничено рядом технологических особенностей, в частности — ширина реза при обработке не позволяет осуществлять производство мелкогабаритных деталей. Данного недостатка лишен метод проволочно-вырезной электроэрозионной обработки.

При использовании проволочно-вырезной электроэрозионной обработки в качестве электрода-инструмента используется молибденовая или латунная проволока диаметром от 0,02 до 0,3 мм, что дает осуществить обработку узких пазов деталей сложного профиля с высокой точностью [1-7].

Несмотря на широкое применение технологии проволочно-вырезной электроэрозионной технологии в производстве, данный процесс не изучен в полной мере.

Исследование процесса электроэрозионной обработки вольфрама является актуальной задачей.

Целью работы является анализ влияния режимов ЭЭО на процесс обработки вольфрама.

Материалы и методы исследования

В работе рассмотрен процесс изготовления детали «Щелевая маска». Технологическое применение данной детали заключается в измерении распределения мощности по сечению электронного пучка, применяемого при электронно-лучевой обработке материалов. Материалом заготовки является вольфрамовая пластина ВА по ТУ 48-19-106-91, толщиной 3 мм.

Эскиз обрабатываемой заготовки представлен на рис. 1.

Рис. 1. Эскиз детали «Щелевая маска»

Основной технологической трудностью при изготовлении рассматриваемой детали является обработка щелей. Так как технология электроэрозионной обработки является бесконтактным методом резки, при проектировании технологии получения годной заготовки необходимо учитывать величину межэлектродного зазора, размер электрода-инструмента (радиус R) и вносить коррекцию (Т) в управляющую программу (рис. 2). Адекватно подобранная коррекция позволяет обеспечивать заданную точность обработки.

Рис. 2. Формирование величины коррекции в плоскости обработки XY

Определение величины коррекции в работе осуществляется экспериментальным путем. Для этого на исходной заготовке вырезались образцы с номинальным размером 7х7 мм на разных режимах (табл. 1). После чего измерялись получившиеся образцы. Разность между номинальным размером и действительным составляла величину коррекции, которую необходимо будет внести в управляющую программу при изготовлении детали.

Таблица 1 — Режимы обработки

Режим

I

II

Время действия импульса (ton), мкс

21

30

Время бездействия импульса (toff), мкс

60

51

Напряжение (U), В

50

50

Сила тока (I), А

1

2

Электроэрозионную обработку проводили на проволочно-вырезном станке фирмы Electronica модель Ecocut, в среде рабочей жидкости – дистиллированной воде. В качестве электрода-инструмента использовали проволоку из латуни марки Л68.

Измерение ширины щели проводили с использованием светового микроскопа Olympus GX 51 при увеличениях х500 крат.

Измерение линейных размеров вырезанных образцов проводили на координатно-измерительной машине фирмы Carl Zeiss Contura G2.

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе эксперимента установлено, что при обработке заготовки на режимах I и II скорости резания составили 1,3 мм/мин и 2,4 мм/мин соответственно.

Размеры обработанных заготовок на режимах I и II составили 6,4 мм и 6,69 мм соответственно. Таким образом, при обработке вольфрама на режимах с большей энергией импульса (режим II) наблюдается меньший процент съема материала.

Таким образом, при обработке заготовки на режиме I в управляющую программу необходимо внести коррекцию G41/G42 (в зависимости от направления реза), равную 0,3 мм. При обработке заготовки на режиме II в управляющую программу необходимо внести коррекцию, равную 0,15 мм.

При изготовлении щелей в детали «Щелевая маска», в управляющую программу не будет вноситься коррекция, необходимый размер равен ширине реза.

Так как при изготовлении детали «Щелевая маска» необходимо обеспечить размер щели, не превышающий 0,35 мм, обработка на режиме I не подходит, так как ширина реза составляет 0,6 мм. Для изготовления детали выбран режим II с шириной реза 0,3 мм.

На рис. 3 представлена фактическая величина щели, получившаяся после обработки на режиме II.

Рис. 3. Ширина реза (режим II)

Полученный размер щели в полной мере удовлетворяет заданным требованиям.

При изготовлении всей детали в управляющую программу вносилась коррекция G41 0,15 мм при направлении обхода наружного контура по часовой стрелке.

Выводы

В работе рассмотрен процесс электроэрозионной обработки вольфрама. Подобраны режимы резания, позволяющие получить заданные размеры.

Установлено, что при обработке вольфрама при увеличении энергии импульса скорость резания увеличивается.

Ширина реза при обработке вольфрама на режимах с меньшей энергией импульса получается больше, чем при обработке на более мощных режимах. Данное явление объясняется возникновением в процессе резания усадки материала.

Для получения заданной геометрии детали «Щелевая маска» обработку необходимо проводить на режимах резания II (табл. 1).

Рецензенты:

Синани И.Л., д.т.н., профессор кафедры СПиТКМ МТФ, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь.

Иванов В.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой МСИ, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь.

Библиографическая ссылка

Пермяков Г.Л., Абляз Т.Р., Беленький В.Я. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ ВОЛЬФРАМА // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=12705 (дата обращения: 11.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)