Электроэрозионная обработка – одна из ключевых технологий для создания элементов конструкций современных самолетов, выполненных из труднообрабатываемых материалов. Воздействие импульсов тока испаряет металл, за счет чего происходит процесс обработки сложных форм. Однако после на обрабатываемой поверхности формируется измененный слой, который по свойствам отличается от основного материала и содержит микротрещины. Это влияет на циклические характеристики всей детали и может привести к ее преждевременному разрушению. Ученые ПИШ Пермского политеха разработали способ, который позволяет заранее прогнозировать формирование такого слоя и возникновение дефектов на поверхности в зависимости от применяемого режима электроэрозионной обработки. Она поможет значительно улучшить качество изготовления деталей в авиастроении и других высокотехнологичных отраслях.

Статья опубликована в журнале «Обработка металлов», 2025 год. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (№ 23-79-01224).

Электроэрозионная обработка особенно эффективна в том случае, когда механические способы не справляются. Например, при резании твердых высокопрочных сплавов, где обычный инструмент быстро изнашивается, а также при получении деталей сложных форм или очень маленьких отверстий. При этом в процессе изготовления элементов конструкций авиационных двигателей, таких как лопатки и диски турбин, которые должны работать в агрессивных условиях под высокой нагрузкой, важно обеспечить их устойчивость и качество рабочих поверхностей без неровностей и трещин.

Но одним из сдерживающих факторов в применении электроэрозионной технологии является то, что под действием электрических разрядов поверхность металлической заготовки меняется. На ней появляется дефектный слой со множеством микротрещин. Эти особенности существенно снижают эксплуатационные характеристики материала и долговечность, что может привести к преждевременному выходу изделия из строя.

Толщина образующегося слоя может колебаться от сотых долей миллиметра и зависит это во многом от режимов обработки. Так, снижение силы тока и уменьшение времени воздействия электрического импульса позволяет снизить толщину белого слоя и его неравномерность. Однако сегодня особенности формирования дефектов на поверхности заготовок из труднообрабатываемых материалов плохо изучены.

Ученые Передовой инженерной школы ПНИПУ разработали математическую модель, позволяющую прогнозировать толщину белого слоя в зависимости от силы и времени воздействия импульса при электроэрозионной обработке.

Моделирование выполнили для двух режимов обработки – максимального и минимального с учетом таких параметров, как сила тока (2А и 8А), напряжение (50В и 100В) и время действия импульса (40 и 150 мкс). Были получены две модели, рассчитанные для хромосодержащих сталей 40Х и 35ХГС, которые широко используются в авиа- и машиностроении. Они отличаются высокой прочностью и износостойкостью.

Модели позволили предсказать толщину белого слоя, его однородность и количество микротрещин. Точность расчета политехники подтвердили, проведя натурные эксперименты.

– Результаты показали, что отклонение рассчитанных значений от экспериментальных составляет не более 5%, что подтверждает достоверность моделей. На минимальном режиме толщина белого слоя варьируется в диапазоне 20-25 мкм и 55-85 мкм на максимальном, тогда как с помощью моделей была рассчитана 20-25 и 60-80 мкм. Количество образующихся микротрещин и неоднородность слоя также существенно изменяется в зависимости от параметров обработки – на максимальном эти показатели в среднем в 2 раза выше, – рассказывает Тимур Абляз, директор Высшей школы авиационного двигателестроения ПНИПУ, кандидат технических наук.

Моделирование электроэрозионной обработки позволяет контролировать качество изделия, заранее определяя необходимый для материала режим, тем самым минимизируя риск возникновения дефектов на поверхности и преждевременное разрушение детали. Это особенно важно для изготовления элементов авиа- и ракетных двигателей, которые работают в экстремальных условиях – в агрессивных средах, под высокой нагрузкой и температурой.

Поддержать редакцию