From the History of Electro Discharge Machining of Metals
The article commemorates Natalia Lasarenko, who back in 1938 together with her husband Boris Lasarenko discovered a new way of working metals with the help of electric spark discharges, which is now widely known and used all over the world. Natalia Lasarenko met her future husband at school and after graduation from Moscow university they worked in different laboratories, but on the same problem — resistance of metals to spark discharges in inductance circuits. It was in the course of this work that they discovered the ability of cathode plates to create apertures of corresponding shape in anode materials. Thus, their work concentrated on finding the means to use this phenomenon for precision working of metals. They stated the advantages of this method: easy receiving of the spark discharge and simple control of machining process intensity. Moreover, this kind of machining changed the mechanical properties of the material, which heralded a new direction of research — electro discharge alloying of metal surfaces for the purpose of their hardening and corrosion resistance. Equipment for EDM was produced by several Soviet works already in the 1940s and 50s; the heyday of this technology came in the 60s when it was mastered by scientists from other countries and applied in various spheres. It is interesting to note that Natalia Lasarenko applied the electro discharge alloying technology for friction pairs in the Soviet Moon research vehicle, the Lunokhod.
Данная статья посвящена памяти лауреата Сталинской премии Наталии Иоасафовны Лазаренко, которая вместе со своим мужем Б.Р. Лазаренко почти 70 лет тому назад (в 1938 г.) открыла принципиально новый способ обработки материалов электрическими искровыми разрядами. В настоящее время этот способ широко применяется во всем мире и носит название Electro discharge machining (EDM метод). 11 июля 2007 г. исполнилось 10 лет со дня кончины Н.И. Лазаренко.
Б.И. Ставицкий, к.т.н., с.н.с., лауреат Ленинской премии,
Главный конструктор электроискрового оборудования электронной промышленности, г. Москва (Россия)
Со своим будущим мужем и коллегой по работе Наталия Иоасафовна Лазаренко познакомилась еще в конце 1920-х гг. в школе № 28 (с химическим уклоном) второй ступени г. Москва. Возвращаясь вместе домой из школы до Таганки, они еще не подозревали, что вот так им предстоит бок о бок шагать почти пять десятилетий. Она пережила своего спутника на 18 лет…
О роли женщины в истории электроискровой обработки
В конце лета 1936 г. студент химического факультета Московского государственного университета Борис Лазаренко успешно защитил дипломную работу по проблеме «Исследование причин, вызывающих разрушение материала контактов, и изыскание способа устранения таковых». Успешно защитила свой диплом и Наташа Толчина (будущая Лазаренко).
Проблемы последующего выбора работы у них не существовало. Его ожидала должность инженера в лаборатории магнитных, полупроводниковых и контактных материалов, а ее — в лаборатории сухих элементов Всесоюзного электротехнического института.
Вскоре они стали работать над решением задачи, которую им поставил профессор Владимир Васильевич Усов. Задача была на первый взгляд проста и конкретна: найти сплав, который был бы способен противостоять искровому воздействию в цепи, содержащей индуктивность.
Как известно, контакты выключателей и различных реле изнашиваются и могут приобретать вид, показанный на рис. 1, поэтому поставленная задача была весьма актуальной. При исследовании работы реле с контактами из неблагородных металлов было решено перейти к релейным системам, работающим в жидких средах. С этой целью были проведены измерения, выполненные на установке, схематически представленной на рис. 2.
Микроскопическое и химическое исследование мутных осадков, образовавшихся в результате работы контактной системы, показало, что они представляют собой шарообразные частицы материала электродов (рис. 3). Исследователи также отметили, что во всех случаях работы контактов в жидкой среде их электрическая эрозия была значительно большей, чем при тех же параметрах электрической схемы, но для случая работы контактов в воздухе.
В результате этих работ исследователи пришли к двум выводам. Во-первых, невозможно создать мощную релейную систему, контакты которой работают в жидкой среде, и во-вторых, появился новый низковольтный электрический способ измельчения токопроводящих материалов. Последний вывод представлял большой практический интерес. Дело в том, что промышленность предъявляла исключительно жесткие требования к качеству различных порошков. Металлокерамика, химические производства, красочная и полиграфическая промышленность, металлотермия, пиротехника и производство взрывчатых веществ — вот далеко не полный перечень отраслей промышленности, использовавших порошки в качестве исходных материалов.
Дальнейшие исследования показали, что для диспергирования пригодна только искровая форма электрического разряда, и чем дальше смещена схема в искровую область от границы инверсии, тем производительнее идет процесс (рис. 4, 5).
Изучая, как влияет величина плотности тока на электродах на скорость их измельчения, исследователи обнаружили, что катод в виде прямоугольной пластины быстро проходит сквозь анод (рис. 6, слева), сделав в нем сквозное отверстие соответствующей формы. Однако при обратной полярности пластина-анод сделала только отпечаток на образце-катоде (рис. 6, справа).
По существующей легенде первой обратила на это внимание и, следовательно, сделала открытие способа электроискровой обработки именно Наталия Иоасафовна.
С этого момента борьба с вредным явлением — разрушением электрических контактов — превратилась в изыскание способов, увеличивающих их эрозию, с целью использования этого процесса для размерной обработки металлов непосредственно электрическими разрядами.
На рис. 7 представлены отверстия, полученные исследователями в закаленной стальной пластине дуговым и искровыми импульсами электрического тока. Из рассмотрения его следует, что в том случае, когда между электродами происходит искровой разряд, отверстие имеет правильные геометрические формы, четкие грани и полное отсутствие на поверхности даже цветов побежалости. Когда же между электродами возникает дуговой электрический разряд, поверхность вокруг отверстия сильно оплавляется. Ясно, что ни о какой размерной, т. е. точной обработке металлов в этом случае не может быть и речи.
Вклад Н.И. Лазаренко в развитие теории и практики электроискровой обработки
Н.И. и Б.Р. Лазаренко были сформулированы две особенности электроискрового процесса.
1) Простота получения искровой формы разряда.
2) Исключительная легкость управления интенсивностью процесса обработки, позволяющая либо «обрушивать» потоки мощнейших разрядов, грубо рвущих порции металла по строго заданным направлениям, либо заставлять искру проводить «ювелирную» работу.
Если сравнивать металлические образцы, один из которых изготовлен любым из методов механической обработки резанием, а другие — электроискровым способом, то ясно, что они очень сильно различаются даже по внешнему виду.
После механической обработки (рис. 8, а) поверхность покрыта более или менее глубокими бороздками — следами воздействия режущих элементов инструмента. При этом поверхностный слой металла получает механический сдвиг в одном направлении. Поэтому как по внешнему виду, так и внутреннему состоянию металл неоднороден в различных направлениях. После электроискровой обработки (рис. 8, б) вся поверхность покрыта накладывающимися одна на другую лунками и производит впечатление обработанной мелкой дробью. При электроискровом легировании металл, выброшенный из анода, достигает катода (легируемой поверхности) и оседает на нем, имея такой вид, как будто на гладкую поверхность брошена пригоршня жидкой глины (рис. 8, в). В обоих последних случаях свойства поверхности идентичны во всех направлениях.
Электроискровой процесс позволяет значительно изменять исходные физические и химические свойства изделий. Поэтому Н.И. Лазаренко еще в 1960 г. обратила внимание на терминологию в этой области: «Прежде всего, необходимо указать, что электроискровой способ разделяется на два основных технологических приема: обработку в жидкой среде и обработку в газообразной среде… Второй прием имеет в практике несколько названий в зависимости от получаемого результата. Его называют электроискровым упрочнением, покрытием, улучшением, цементацией, наплавкой и т. п. Такое разнообразие названий не может быть признанным правильным и вызывает путаницу при внедрении этого нового способа… Поэтому процессу изменения исходных свойств металлических поверхностей электрическими импульсами в газообразной среде, очевидно, правильнее присвоить название, более полно его определяющее, а именно «электроискровое легирование металлических поверхностей».
Было выяснено, что даже простое «облучение» поверхности образца искровыми разрядами приводит к повышению стойкости изделия на истирание. Кроме того, повышается его коррозионная стойкость. Уже в конце 1940-х — начале 1950-х гг. электроискровое легирование — упрочнение режущего инструмента — получило широкое распространение. Изучению этого процесса было посвящено много диссертаций (интересно, что Н.И. Лазаренко защитила диссертацию по совокупности работ только в 1964 году). В СССР и за рубежом стали выпускаться разнообразные аппараты, предназначенные для реализации этой технологии.
На рис. 9 представлена электроискровая установка УПР-1 для поверхностного легирования и росписи металлических поверхностей, разработанная ЦНИЛ-Электром НИИ-627 МЭП СССР. Вибратор установки включен потенциометрически на балластное сопротивление, благодаря чему частота его срабатывания увеличивается с уменьшением емкости. Это приводит к тому, что скорость нанесения покрытия при переходе к более мягким режимам не уменьшается. Вес вибратора — всего 120 г. Вибрационная система расположена в его корпусе. Кроме того, установка оснащается электропером для нанесения росписи на любых металлах. Ленинградский завод киноаппаратуры КИНАП освоил серийный выпуск электроискровых установок КЭИ-1 для легирования металлических поверхностей (рис. 10). Установка имеет двухполупериодный выпрямитель на газотронах ВГ-129, питающих контур искрового разряда.
Харьковский тракторный завод также выпускал электроискровые установки для легирования металлов собственной конструкции (рис. 11).
В конце 1940-х гг. электроискровое легирование различного режущего инструмента из быстрорежущих сталей и вырубных штампов получило широкое применение. Так, на заводе «Электросила» имени С.М. Кирова электроискровому легированию подвергалось 20 % всех видов инструмента и до 70 % штампов. На Кировском заводе электроискровому легированию подвергались выпускаемые инструментальным цехом фасованные и канавочные резцы, спиральные сверла, цилиндрические, дисковые и концевые фрезы, пилы Геллера, зенкеры и напильники. Это увеличивало их стойкость в 5–6 раз.
Процесс электроискрового легирования с применением электроискровой установки УПР-3М ЦНИЛ-Электром представлен на рис. 12. На рис. 13 — внешний вид электроискровой установки УПР-3М, а на рис. 14 — аппарат для электроискрового гравирования и росписи.
Институт прикладной физики АН МССР и его опытный завод к концу 1960-х гг. разработали 9 моделей установок электроискрового легирования металлических поверхностей. Среди них установка ЭФИ-46, предназначенная для легирования широкой номенклатуры деталей, и ЭФИ-25 — для легирования крупных деталей машин. Установка ЭФИ-46 для электроискрового легирования, созданная Н.И. Лазаренко в содружестве с Институтом прикладной физики АН МССР и его опытным заводом, представлена на рис. 15.
Микрошлифы стальных — сырого (а) и закаленного (б) образцов, упрочненных твердым сплавом Т15К6 на одинаковых режимах обработки, показаны на рис. 16. По величине отпечатков алмазной пирамиды видно, что у сырого образца (а) подслой тверже, чем исходный образец, и твердость подслоя — как бы переходная к повышенной твердости нанесенного слоя. При обработке закаленного образца стали (б) подслой является зоной отпуска, так как твердость его ниже твердости исходного материала образца.
При электроискровом легировании происходит взаимная диффузия материалов слоя и основы, обеспечивающая прочное соединение покрытия с основой (рис. 17).
Н.И. Лазаренко было установлено, что при электроискровом легировании металлической закаленной поверхности нанесением более твердого материала необходимо стремиться к применению более коротких импульсов с малой энергией.
При электроискровом легировании цветных металлов и сплавов (если химические реакции протекают между материалами электродов и газовой средой, в которой проводится процесс) твердость обработанной поверхности определяется величиной твердости наносимого материала или получаемых на его поверхности соединений.
В середине 1960-х гг. в БНР Богумилом Антоновым был проведен комплекс успешных работ по применению электроискрового способа для золочения полупроводниковых приборов (транзисторов). Для этого было разработано и выпускалось несколько типов конструкций соответствующего оборудования. Было показано, что применение в качестве источника питания тиратронных генераторов с импульсным трансформатором, разработанных НИИ «Исток», позволило интенсифицировать процесс золочения поверхностей и исключить возможность поражения операторов электротоком. К сожалению, советские разработчики полупроводниковых приборов тогда не оценили по достоинству этот принципиально новый процесс электроискрового золочения.
Электроискровое легирование металлических поверхностей начало особенно интенсивно развиваться в середине 1960-х гг. С помощью электроискровых разрядов оказалось возможным вводить в состав обрабатываемой поверхности заданные химические элементы, не изменяя при этом исходных габаритов обрабатываемого изделия, или наносить слой покрытия на поверхность токопроводящими материалами.
Электроискровым легированием можно увеличить износостойкость черных и цветных металлов и повышать их твердость. Так, микротвердость поверхности стали может быть доведена до 2200 кг/мм2, меди — до 1000 кг мм2, титана — до 1800 кг/мм2. Получение на металлических поверхностях карбидов, нитридов и сульфидов металлов открыло перспективу создания трущихся пар с повышенными фрикционными или антифрикционными свойствами. Износостойкость даже высоколегированных сталей при трении в условия высоких температур значительно увеличивается. Этот способ дает возможность существенно уменьшить склонность к схватыванию поверхностей, особенно при работе пар трения при высоких температурах и в вакууме.
В свое время Н.И. Лазаренко успешно осуществила легирование трущихся пар для луноходов. Проведенные исследования показали, что только пары, обработанные («облученные») электрическими искровыми разрядами, работают с гарантированной надежностью и долговечностью. Так что на Луне уже находятся изделия, изготовленные с применением электроискрового легирования — в том числе благодаря героине нашего рассказа.
Доктор геолого-минералогических наук Н.Н. Шефтель, выступая на защите диссертации Н.И Лазаренко в декабре 1964 г., в частности, сказал: «Чрезвычайно радует, что это важнейшее направление представляет собой вполне оригинальное произведение советского научно-технического творчества. Оно нигде не заимствовано, а рождено именно у нас, в советское время, на советской почве и распространено по всему миру. В докладе отражена вся напряженная творческая жизнь женщины-ученого, воспитанницы Московского университета, вместе со своим мужем создавшей в течение почти четверти века новое важнейшее направление в технике обработки металлов».
(От редакции: материалы по истории создания и развития электроискровой обработки металлов см. также в №№ 2–6/2006 и №1–4/2007 нашего журнала)
