Full Text

Введение Эффективность применения технологии электроэрозионной обработки (ЭЭО) обусловлена возможностью изготовления как отдельных сложнопрофильных элементов на заготовках, так и полноценных деталей машин и механизмов, выполненных из материалов с повышенными физико-механическими свойствами. Электроэрозионная обработка металлов и других токопроводящих материалов основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под воздействием импульсов электрической энергии в канале разряда, возникающем между поверхностью обрабатываемой детали и электродом-инструментом, погруженным в жидкую среду (обычно неэлектропроводную среду - рабочую жидкость). Следующие друг за другом импульсные разряды производят выплавление и испарение микропорций материала с поверхности обрабатываемой детали. Развивающиеся в жидкости гидродинамические силы выбрасывают расплавленный материал из зоны разрядов, и электрод-инструмент получает возможность внедряться в обрабатываемую деталь, образуя в ней углубление, соответствующее форме электрода [1-8]. Установлено, что в результате единичного разряда с поверхности материала вылетают сотни частиц разного размера, образуя так называемые единичные лунки [1-9]. При увеличении энергии импульса путем изменения режимов обработки число частиц большего размера, а также их максимальный диаметр возрастают, что существенным образом оказывает влияние на качество обработанной поверхности. Одним из показателей качества поверхности детали, обработанной импульсами электрического тока, является шероховатость. В процессе ЭЭО шероховатость поверхности образуется путем наложения друг на друга единичных лунок. В связи с тем, что технология ЭЭО применяется при обработке внутренних и наружных сложнопрофильных поверхностей изделий, выполненных из материалов с повышенными физико-механическими свойствами, применение традиционных механических операций финишной обработки сопровождается технологическими и экономическими ограничениями, связанными с разработкой специализированной оснастки, инструмента и зачастую ручного труда. Применение технологий химической и электрохимической полировки в связи с высокой токсичностью электролитов требует больших затрат на обеспечение экологической безопасности людей и окружающей среды, а также на утилизацию отходов [10-12, 14]. Современные электроэрозионные станки позволяют получать шероховатость обработанной поверхности Ra = 0,1…0,4 мкм. Данные показатели шероховатости достигаются при подключении электрода-детали к отрицательному полюсу генератора импульсов и назначении режимов с минимальной энергией импульса. Однако обработка изделий на чистовых режимах резания характеризуется низкой производительностью процесса ЭЭО. В работе [6] показано, что при обработке стали 38Х2Н2МА на копировально-прошивном станке на чистовых режимах производительность обработки составляет 0,05 мм/ч. Низкая производительность процесса ЭЭО ведет к увеличению технологического времени и себестоимости изготовления изделия. В связи с этим при разработке технологического процесса ЭЭО зачастую назначаются более грубые показатели по качеству обработанных поверхностей, что не позволяет реализовать в полной мере заложенные в изделие эксплуатационные характеристики. Лучшим решением для поставленных задач является применение технологии электролитно-плазменного полирования сложнопрофильных поверхностей (ЭПП). Метод ЭПП основан на электроразрядных явлениях в системе металл-электролит, при этом обрабатываемая деталь является анодом. Полирование металлов происходит в области значений напряжения 200-350 В и плотности тока 0,2-0,5 А/см2. При напряжении более 200 В вокруг анода при переходе от пузырькового кипения к пленочному образуется устойчивая тонкая (50-100 мкм) парогазовая оболочка (ПГО). Напряженность электрического поля в ПГО достигает 104-105 В/см. Вблизи микровыступов напряженность электрического поля возрастает, и на этих участках возникают мигрирующие по поверхности микроплазменные разряды, которые обеспечивают комплексное химическое и физическое воздействие на материал поверхности изделия. В микроразрядах выделяется значительная энергия и наблюдается интенсивный процесс снижения высоты микронеровностей поверхности, что приводит к ее полированию. Технология ЭПП является экологически безопасной и не требует применения кислот, щелочи и других вредных веществ в опасных концентрациях [12-20]. В настоящее время не в полной мере изучен вопрос применения технологии ЭПП для обработки поверхностей деталей, полученных методом ЭЭО. Цель работы - экспериментальное исследование применения технологии ЭПП для финишной обработки поверхностей деталей, полученных методом копировально-прошивной ЭЭО. Материалы и методы исследования В качестве обрабатываемого материала выбрана конструкционная легированная сталь 38Х2Н2МА по ГОСТ 4543-71. Экспериментальный образец представляет собой пластину размером 10´20 мм и толщиной 2 мм. Электроэрозионная обработка образца проходила на копировально-прошивном электроэрозионном станке Electronica Smart CNC. Рабочая жидкость - масло И-20А. Режимы обработки представлены в табл. 1, где Ton - время включения импульсов, мкс; Tau - рабочий цикл импульса, %; U - напряжение, В; I - сила тока, А. Глубина прожига составляла 0,4 мм. Таблица 1 Режимы ЭЭО Номер эксперимента Режимы обработки I, А U, В Ton, мкс Tau, % 1 6 50 50 26 2 50 50 50 26 3 20 50 50 26 4 3 50 50 26 5 1 50 50 26 После проведенных экспериментов по прожигу образцов на заданную глубину при разных режимах ЭЭО производился замер шероховатости обработанной поверхности, а также микроскопический анализ структуры обработанной поверхности. Измерение шероховатости производилось на профилометре Mahr Perthometer S2 по ГОСТ 2789-73. Анализ структуры проводился при помощи светового микроскопа Olympus при увеличении ´200. Эксперименты по электролитно-плазменной полировке экспериментальных образцов после ЭЭО проводились на лабораторной установке Polytech-15 мощностью 15 кВт. Используемый метод - частичное погружение. Для визуального наблюдения результата образцы из стали 38Х2Н2МА опускались в ванну с электролитом наполовину, в верхней части располагался зажим. Непосредственно к образцу подключался положительный полюс источника питания, в то время как к рабочей ванне подводился отрицательный полюс. Напряжение на электродах составляло 270 В. Для дифференциации уровня выпрямленного выходного напряжения в установке Polytech-15 используется лабораторный трехфазный автотрансформатор. В качестве электролита использовались растворы солей в дистиллированной воде. Электролит представлял трехкомпонентный раствор в следующих концентрациях (вес.): хлорид аммония NH4Cl - 3 %, сульфат аммония (NH4)2SO4 - 1 %, Трилон Б - 0,5 %. Класс чистоты веществ - ЧДА. Каждый компонент раствора взвешивался на электронных весах «Масса-К ВК 150.1». Создание раствора производилось путем последовательного добавления компонентов в подогретую до 60 °С воду с постоянным перемешиванием. Рабочая температура электролита составляла 90 °С. Время обработки экспериментального образца составляло 5 мин [12-18]. После обработки напряжение снималось, образец извлекался из ванны и промывался в теплой технической воде, после чего проходил сушку на воздухе. На обработанных методом ЭПП поверхностях образцов осуществлялся повторный замер шероховатости, а также микроскопический анализ структуры обработанной поверхности. Результаты исследования и обсуждение В процессе электролитно-плазменной полировки образцов, полученных методом копировально-прошивной электроэрозионной обработки, при подаче напряжения на электроды вокруг поверхности образца, погруженной в электролит, загоралась стабильная плазма аномального тлеющего разряда. Происходило комплексное электрохимическое и электрофизическое воздействие на поверхность образца, в результате чего происходило сглаживание микронеровностей (полирование). Обработанные поверхности приобретали металлический блеск. Установлено, что при снижении температуры электролита ниже 90 °С толщина пароплазменной оболочки уменьшалась, возникал эффект анодного нагрева. Эффект полирования в данном случае отсутствовал, поверхность образца покрывалась черными пятнами. В табл. 2 представлены результаты замера высоты микронеровностей, полученных после ЭЭО на режимах табл. 1, и результаты замеров этих же образцов после применения метода ЭПП. Таблица 2 Шероховатость поверхностей деталей Номер эксперимента I, А Ra после ЭЭО Ra после ЭПП 1 6 4,6 1,4 2 50 7,7 1,6 3 20 6,7 1,4 4 3 1,6 0,4 5 1 1,5 0,4 Из проведенных исследований установлено, что применение технологии ЭПП позволило снизить высоту микронеровностей, полученных после ЭЭО, в среднем в 5 раз. На рис. 1 представлены профилограммы поверхностей образцов № 4 и 2 (см. табл. 2) после ЭЭО. На рис. 2 представлены профилограммы поверхностей образцов № 4 и 2 (см. табл. 2) после ЭПП. Анализ профилограммы показал (см. рис. 2), что после ЭПП происходит выглаживание выступов единичных лунок, полученных после электроэрозионной обработки. Максимальная высота микронеровностей детали № 4 Rmaх уменьшилась от значения 10,9 мкм (после ЭЭО) до значения 4,1 мкм (после ЭПП). Максимальная высота микронеровностей детали № 2 Rmaх уменьшилась от значения 60,6 мкм (после ЭЭО) до значения 9,9 мкм (после ЭПП). Средний шаг неровности Sm после ЭПП увеличился до значения 421,4 в сравнении со значением среднего шага после ЭЭО Sm = 197,4 мкм (деталь № 4). Отмечено, что увеличение среднего шага ведет к повышению плотности контакта поверхностей. На рис. 3 и 4 представлен анализ поверхностей заготовки (образцы № 4 и 2) после ЭЭО и последующего ЭПП. Анализ поверхности образца № 4 показал, что после ЭЭО обработанная поверхность представляет а б Рис. 1. Профилограммы поверхностей деталей после ЭЭО: а - деталь № 2; б - деталь № 4 а б Рис. 2. Профилограммы поверхностей деталей после ЭПП: а - деталь № 2; б - деталь № 4 а б Рис. 3. Микроскопический анализ обработанных поверхностей детали № 4, ´100: а - поверхность после ЭЭО; б - поверхность после ЭПП а б Рис. 4. Микроскопический анализ обработанных поверхностей детали № 2, ´100: а - поверхность после ЭЭО; б - поверхность после ЭПП собой большое количество наложенных друг на друга единичных лунок (см. рис. 3, а). Видны следы оплавления металла на границах лунок. Поверхность образца № 2 (см. рис. 4, а) после ЭЭО характеризуется увеличенным размером единичных лунок без четко выраженных границ. Наблюдаются зоны повышенного плавления металла. После ЭПП (см. рис. 3, б и рис. 4, б) на обработанных поверхностях не наблюдается ярко выраженных следов единичных лунок. Поверхность ровная, зон оплавления металла после ЭЭО не наблюдается. В ходе проведенного исследования установлено, что для обработки заготовки методом ЭЭО для обеспечения шероховатости поверхности 1,6 мкм необходимо использовать режим с минимальной энергией импульса (образец № 4). Показано, что для получения аналогичного значения шероховатости возможно использовать технологию финишной обработки методом ЭПП в сочетании с более производительным режимом ЭЭО (образец № 2). Выводы Показана возможность применения технологии ЭПП для повышения качества обработанной поверхности стали 38Х2Н2МА после ЭЭО. Установлено, что ЭПП за 5 мин рабочего времени позволило снизить шероховатость обработанной методом ЭЭО поверхности в среднем в 5 раз. Показано, что для получения шероховатости обработанной поверхности детали значением Ra = 1,6 мкм эффективнее использовать сочетание технологий ЭЭО на режимах № 2 и ЭПП.

About the authors

T. R Ablyaz

Perm National Research Polytechnic University

K. R Muratov

Perm National Research Polytechnic University

E. U Kochergin

Perm National Research Polytechnic University

T. V Shakirzanov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 102

PDF (Russian) - 46

Refbacks

• There are currently no refbacks.