CC BY
49
ИАбра^ТКА
электроэрозионная обработка, упрочнение и комбинированные процессы
УДК 621.7/9.048.4
Интенсификация технологических процессов изготовления деталей машин при использовании различных видов энергии
А. П. Веселовский, л. А. ушомирская
Ключевые слова: комбинированный метод, концентрация, электролит, электрофизические технологии.
Электрофизические и электрохимические методы обработки
В научно-технических программах по машиностроению предусматривается существенное преобразование действующих принципов организации производства деталей на основе использования перспективных технологий и современного оборудования, а также необходимость развития электрофизических и электрохимических технологий. Наиболее важной проблемой, стоящей сегодня перед научными работниками, является поиск путей выхода из существующего положения:
• стабилизация технологических процессов;
• прекращение спада производства как научной, так и промышленной продукции;
• создание условий для развития новых технологических процессов.
Среди приоритетных областей реализации ключевых многопрофильных технологий существенное влияние на технологические показатели процессов могут оказать технологии производства и обработки конструкционных материалов, электрофизические и электрохимические методы обработки (ЭФХО). Можно оценить технический уровень электрофизических технологий, разработанных в нашей стране, рассмотрев статистические данные из материалов международных симпозиумов по электрическим методам обработки (табл. 1).
Таблица 1
Относительная доля электрофизических методов обработки, %
Международный симпозиум по электрофизическим методам обработки, год Методы обработки
электроэрозионные (ЭЭО) лучевые (ЛМО) комбинированные (КМО)
1986 42,0 31,0 14,6
1989 40,0 18,0 18,0
1995 46,0 14,6 8,3
Анализ данных табл. 1 показывает, что лидирующее место в промышленности занимает электроэрозионная технология обработки металлов. В последнее время для электроэрозионной обработки (ЭЭО) применяется современное оборудование с высоким уровнем автоматизации (станки с ЧПУ). Наиболее перспективными направлениями электроэрозионных технологий являются следующие:
• совершенствование источников питания, использование современной базы, расширение диапазона регулирования параметров режима процесса с использованием автоматизации;
• разработка новых высокоэффективных технологических процессов с применением различных видов энергий, обеспечивающих высокое качество обработанной поверхности и точность обработки;
• усовершенствование новых эффективных рабочих сред, оптимизация их параметров;
• разработка оптимизационных моделей параметров режима технологических процессов изготовления различных изделий, составление рабочих программ их обработки.
По результатам анализа существующих технологических процессов изготовления различных деталей из труднообрабатываемых сталей и сплавов можно сделать вывод, что «узким местом», отражающимся на производительности труда и обеспечении параметров качества поверхностного слоя, являются такие операции, как разрезание, точение цилиндрических и конических поверхностей с большими припусками, изготовление образцов для механических испытаний, удаление несбалансированных масс и др.
Электроконтактно-дуговая обработка
Наибольшая эффективность достигнута при использовании электроконтактно-дугового метода обработки (ЭКДО), который характеризуется высокой производительностью, низкой себестоимостью, гарантирует удовлетворительное
ШШБМЛ
Таблица 2
Основные технические характеристики установок для ЭКДО
Операция Производитель-ность, см3/с Рабочее напряжение, В Сила рабочего тока, А Размер электрода-инструмента, мм Относит. износ электрода-инструмента, Шероховатость обработанной поверхности Яг, мкм
Обработка и отрезка литейных прибылей До 55 24-42 До 6000 Обработка: 12-25 х 600. Отрезка: 2-6 х 600 До 3 Черновой режим: Rz < 160. Чистовой режим: Rz = 30 ^ 40
Разбалансировка рабочих колес песковых насосов: исполнение I исполнение II < 2,5 < 4,0 < 40...45 3000 5000 35 х 35 х 200 < 3,0.3,5 -
качество обработанной поверхности. Как разновидность ЭЭО ЭКДО применяется в различных технологических операциях, к которым относятся:
• разрезание различных заготовок, рельсов в ремонтных условиях;
• обработка плоских, цилиндрических и конических поверхностей, тел вращения;
• прошивание.
Возможно применение данного метода в линиях гибких производственных систем. В результате выполненных исследований разработаны и внедрены несколько установок для ЭКДО броней конусов из стали 110Г13Л, электроконтактной разделки металлургических проб, резки круглого проката, рельсов, статической балансировки рабочих колес, для высокопроизводительной обработки пазов, отверстий, а также для комбинированной электроконтактно-дуговой абразивной обработки стандартных плоских образцов для механических испытаний.
В настоящее время на предприятиях черной и цветной металлургии широко применяют детали и узлы горного оборудования, изготовленные из высокопрочных износостойких сплавов (И4Х28Н2, 4Х9Н5, 30Х24Н12СХ и др.). Обработка лезвийным инструментом заготовок из этих материалов сопряжена с большими затратами и износом металлорежущего инструмента. Специалистами научно-производственной фирмы «Квалитет» (Усть-Каменогорск) разработаны и внедрены на нескольких горнометаллургических предприятиях установки ЭКДО, созданные на базе серийного металлорежущего оборудования: токарно-винторезные, токарно-карусельные с диаметром планшайб от 1000 до 8000 мм. Установки предназначены для решения следующих задач: размерная обработка деталей из стали 110Г13Л (броней конусов дробилок, дробящих плит, футеровок щековых дробилок, колосников холодильников «Волга-125С» и др.) и чугу-нов ИЧХ28Н2, 4Х9Н5 (детали песковых насосов; деталей, восстановленных сормайтом (конусы доменных печей)); отрезка прибылей литья
из труднообрабатываемых материалов [1]. Данное оборудование внедрено в производство на различных предприятиях горно-металлургической промышленности.
Основные технические характеристики установок ЭКДО для отрезки прибылей литья и раз-балансировки рабочих колес песковых насосов представлены в табл. 2.
Электроконтактно-дуговая абразивная обработка
Для выполнения получистовых и чистовых операций (Ra < 1,5 мкм) изготовления деталей из различных материалов предлагается также высокопроизводительный комбинированный метод электроконтактно-дуговой абразивной обработки (ЭКДАО). Принципиальная схема этого метода, сочетающего в себе ЭКДО и шлифование, показана на рис. 1 [2].
Электрод-инструмент (1) и абразивный круг (2) закрепляются на общей оправке в
Д
Рис. 1. Принципиальная схема ЭКДАО: 1 — электрод-инструмент; 2 — абразивный инструмент; 3 — заготовка; ИП — источник питания
ИАбра^ТКА
Рис. 2. Комбинированный инструмент для ЭКДАО плоских поверхностей
станка и при вращении комбинированного инструмента производят съем металла с заготовки (3), перемещающейся с определенной подачей; в качестве рабочей жидкости используется техническая вода с добавками укрино-ла 1 % и СаСО 1 %. Этот метод рекомендован для обработки плоских и цилиндрических поверхностей заготовок.
Комбинированный инструмент для ЭКДАО (рис. 2) может быть сплошным или прерывистым.
Конструкция рабочей поверхности ЭИ выполняется прерывистой, в виде пластин. Параметры:
• диаметр инструмента — до 300мм;
• ширина паза — 5-6 мм;
• количество пазов — 20;
• угол каждого паза — 45°;
• минимальная глубина зоны термического влияния h = 0,43 мм.
Абразивный инструмент может быть сплошным либо сборным из отдельных абразивных сегментов. Он полностью удаляет поверхностный слой с измененными свойствами, образовавшийся после ЭКДО, и формирует поверхность в соответствии с требованиями по качеству и точности обработки.
Электролитно-плазменное полирование
При отделочных операциях изготовления деталей из различных сталей и сплавов рекомендуется применять метод электролитно-плазменного полирования (ЭПП), основанный на явлениях, протекающих в тонкой парогазовой оболочке, образующейся у анода вследствие пленочного вскипания электролита. В образовавшейся парогазовой оболочке проходит комплекс электрохимических и физических процессов, существенно отличающихся от традиционного электролизного растворения электропроводящих материалов.
Описанные в литературе и применяемые на практике приемы электрохимического полирования позволяют полировать практически все известные металлы и сплавы. Разработаны сотни составов электролитов для электрохимического полирования, и каждый состав оптимизирован для определенных марок материалов. Так, наиболее распространенными электролитами для полирования нержавеющих сталей являются электролиты на основе ортофосфарной и серной кислот. Суммарная концентрация кислот в электролите находится в диапазоне 70-90 %. Для улучшения показателей полирования, например блеска, используются органические добавки или хромовый ангидрит. Электролит дорог, агрессивен, органические вещества разрушаются при высоких плотностях тока, соли хромовой кислоты в катодной области восстанавливаются, и изменяется состав раствора. Необходимо периодически проводить анализ химического состава электролита и его корректировку.
ЭПП осуществляется при напряжении 200400 В, плотности тока 0,15-0,3 А/см2 (табл. 3). Время обработки колеблется в зависимости от исходной и требуемой шероховатости и составляет 0,5-20,0 мин. Достижимая шероховатость Яа = = 0,05 -г 0,08 мкм. В состав электролита входит
Таблица 3
Сравнение параметров полирования титана и титановых сплавов различными методами
Метод полирования Электролит Напряжение, В Плотность тока, А/см2 Результат обработки Активный элемент в электролите
Состав Концентрация, % Температура, °С Шероховатость поверхности Да, мкм Вид поверхности
Химический ОТ (48%) H2SO4 Н2О 3-4 20-25 45-50 Остальное 80-90 — — До 0,4 Матовая —
Электрохимический ОТ (48%) н^о4 Глицерин 20-25 60-65 10-20 20-40 8-15 0,8-0,1 До 0,4 Матовая Глицерин
Электролитно-плазменный ^Н4) BF4 Na2SiF4 27,6 31,5 85-90 360 300 0,15-0,21 0,23 0,27 Глянцевая Глицерин, этиловый спирт
ШШБМЛ
вода — 93-97 %, неорганическая соль — 3-7 % при рН = 4-7. Следовательно, к числу существенных преимуществ ЭПП относятся:
• протекание процесса в растворах нетоксичных электролитов;
• малое время обработки;
• переход полируемого металла в раствор в виде солей и гидроокислов.
По сравнению с механическим полированием преимущества метода очевидны в случае полирования тонкостенных изделий, изделий сложной формы. При механическом полировании срезаются микрогребни поверхности. В микровпадинах могут оставаться дефекты в виде неметаллических включений, абразивный материал.
В случае ЭПП повышается однородность поверхности, уменьшается шероховатость и удаляются посторонние включения — центры коррозии. К недостаткам метода следует отнести повышенную энергоемкость процесса по сравнению с электрохимическим и механическим полированием.
Выводы
1. При черновых и получистовых операциях обработки деталей из труднообрабатываемых материалов возможно применение
высокопроизводительных методов: электроконтактно-дугового и комбинированного электроконтактно-дугового абразивного, при использовании которых получают шероховатость поверхности В.г ~ 160...200 мкм и Яа < 1,5 мкм соответственно.
2. При выполнении отделочных операций обработки сложнопрофильных поверхностей деталей из различных материалов рекомендован метод электролитно-плазменного полирования при достижении шероховатости поверхности Яа < 0,1мм.
Литература
1. Карецкий Ю. Н. Опыт внедрения электроконтактно-дуговой обработки на горно-металлургических предприятиях // Металлообработка. 2001. № 1. С. 44-45.
2. Ушомирская Л. А. Технологические аспекты электроконтакно-дуговой абразивной обработки // Металлообработка. 2001. № 1. С 41-43.
3. Локтев Д. Е., Ушомирская Л. А., Новиков В. И. Исследование параметров электролит-но-плазменного полирования низколегированной стали методом планирования полного факторного эксперимента // Металлообработка. 2009. № 5. С. 15-18.
№ 2 (56)/2010
49И
