Full Text

Введение Одним из требований современной промышленности является получение изделий с высоким качеством поверхностного слоя. Шероховатость во многом определяет эксплуатационные характеристики изделия. Для изменения шероховатости поверхности существует два конкурентных электролитно-плазменных метода: погружение изделия в ванну и обработка поверхности одной и более струей электролита. В промышленности наибольшее распространение получил метод погружения изделия в ванну [1-8] за счет простоты процесса обработки, высокой производительности, универсальности обрабатываемых изделий. Наряду с достоинствами данный метод имеет и недостатки. К ним можно отнести следующие: невозможность одномоментной обработки больших изделий, применение мощных источников питания, высокие температуры обработки, значительный расход электроэнергии на образование парогазовой оболочки вокруг изделия, использование больших открытых площадей и объемов электролита, что приводит к росту ПДК вредных веществ, отрицательно сказывающихся на здоровье персонала; неравномерность обработки по профилю изделия. Метод струйной электролитно-плазменной обработки [3, 9, 10] имеет преимущества по сравнению с погружением в ванну. К ним можно отнести низкую энергоемкость процесса, низкие температуры [11] обработки, применение источников питания на несколько порядков меньшей мощности. К тому же метод струйной обработки является более экологически чистым и имеет более высокую точность обработки обрабатываемых поверхностей за счет возможности программирования перемещения области электролитной плазмы по поверхности изделия. Целью настоящего исследования является выявление возможностей струйной электролитно-плазменной обработки с полым цилиндрическим катодом и магнетронной распылительной головкой, используемых в качестве катодных модулей при обработке больших поверхностей из нержавеющих сталей. В работе поставлены следующие задачи: получение и использование стабильных режимов обработки и оптимального расхода электролита, получение качественной объемной полированной поверхности с минимальной шероховатостью, выявление особенностей работы токоподвода с полым цилиндрическим катодом и магнетронной распылительной головкой. Экспериментальная установка Эксперименты по струйной электролитно-плазменной обработке образцов проводили на опытной экспериментальной установке (рис. 1). Рис. 1. Принципиальная схема опытной установки струйной электролитно-плазменной обработки: 1 - катодный модуль; 2 - полый токоподвод или магнетронная распылительная головка (не показана); 3 - изделие; 4 - опоры крепления; 5 - подвижная платформа; 6 - трубопровод подачи электролита; 7 - ванна температурной коррекции электролита; 8 - фильтр; 9 - приемная ванна Опытная экспериментальная установка[6] содержит закрепленную в корпусе приемную ванну 9, соединенную трубопроводом с фильтром 8 и ванной температурной коррекции электролита 7, оснащенную температурным датчиком и нагревательным элементом. Над приемной ванной 9 находится подвижная платформа 5, на которой установлены две опоры крепления 4 с токарными центрами, в которых закреплено изделие или многоместное приспособление с образцами с образцами. Зажим крепления на приспособлении соединен с положительным электродом источника питания, собранным по схеме Ларионова, а отрицательный соединен с катодным модулем 1. Катодный модуль выполнен в виде полой цилиндрической трубки 2 или магнетронной распылительной головки (не показана)[7] и встроен в трубопровод подачи электролита 6, соединенный с ванной температурной коррекции электролита. Подвижная платформа 5 имеет возможность перемещаться в двух координатах. Катодный модуль 1 имеет возможность перемещения в вертикальном направлении. Эксперимент проводился при атмосферном давлении. Внешний вид установки показан на рис. 2. Рис. 2. Общий вид струйной электролитно-плазменной установки Результаты исследований С целью выявления влияния струйной электролитно-плазменной обработки на качество поверхностного слоя нержавеющих сталей нами были проведены исследования работы установки с использованием полого цилиндрического токоподвода. Опыт проводился при атмосферном давлении на 25 образцах стали 08Х18Н9Т при значениях напряжения 20-500 В с шагом 20 В. Перед началом эксперимента образцы были пронумерованы, обезжирены и взвешены на весах ВМ-213 с точностью до 1 мг. Для отслеживания хода эксперимента была применена фото- и видеофиксация с помощью фотокамеры Canon 550D. Процесс работы установки показан на рис. 3. В результате получена вольт-амперная характеристика процесса обработки (рис. 4). Анализ показывает, что первый режим 20-160 В представляет собой анодное растворение с интенсивной потерей материала. Происходит перенос ионов металла с анода в раствор электролита, которые удаляются за счет потока электролитной струи. При этом процесс характеризует интенсивное газовыделение. Данный режим описывается законом Фарадея. Вольт-амперная характеристика имеет практически линейную зависимость тока от напряжения и говорит о постоянном сопротивлении системы. Процесс наблюдался при плотности тока до 1 А/см2 и рабочем напряжении до 160 В. Рис. 3. Процесс обработки изделия полым токоподводом Рис. 4. Зависимость силы тока от напряжения между электродами При переходном режиме вокруг катода периодически образуется пароплазменная оболочка, электрическое сопротивление постоянно меняется и происходит колебание тока. Режим наблюдался при напряжении свыше 160-200 В. С повышением рабочего напряжения и температуры электролита сокращается время образования пароплазменной оболочки, формируется коммутационный режим [12], частота колебаний тока увеличивается и при высоких значениях напряжения устанавливается пленочное кипение, система переходит в режим электролитно-плазменного полирования. В режиме электролитно-плазменного полирования (при значениях напряжения свыше 200 В) вокруг электрода на поверхности образца образуется устойчивая пароплазменная оболочка, происходит полирование поверхности с небольшим удельным съемом материала. Плотность тока уменьшается до 0,5 А/см2 по сравнению с первым режимом. На выпуклых участках пароплазменной оболочки и на микровыступах на аноде напряженность электрического поля возрастает. На этих участках возникают импульсные искровые разряды, оставляя дефекты на поверхности образцов. На образце 220-260 В были получены самые низкие параметры шероховатости поверхности. В режиме интенсивного кипения (при напряжении свыше 320 В) наблюдается значительное падение показаний тока (в 2-3 раза), что можно объяснить резким повышением сопротивления системы, вследствие расширения пароплазменной оболочки и ее отрыв от поверхности анода с интенсивным свечением электрических разрядов. Эффект полировки в данном режиме исчезает. Нами был зафиксирован расход электролита при разных режимах обработки (рис. 5). Показано, что изменения колебаний объема электролита незначительны. Полученные результаты показывают, что наилучшее качество поверхности наблюдается при прикладываемом напряжении между электродами в 220-300 В (рис. 6). При режимах в несколько десятков вольт происходит интенсивный съем материала, однако шероховатость образцов меняется незначительно. Наиболее стабильный режим работы системы находится в пределах 200-340 В и при значениях плотности тока 0,4-0,6 А/см2. Полировка поверхности стали AISI 201 с использованием электролита на основе аммония сульфата и натрия сернокислого (до 30 г/л) происходит на стабильных режимах: 250 В/1,2 А/5 л/ч для полого цилиндрического токоподвода с использованием программы перемещения токоподвода с подачей 70 мм/мин и шагом 2 мм. Параметры исходной шероховатости пластины до обработки Ra находятся в пределах от 0,202 до 0,273 мкм. Рис. 5. Зависимость расхода электролита от напряжения Рис. 6. Зависимость веса образца из нержавеющей стали от напряжения между электродами За все время обработки не было зафиксировано ни одного пробоя и вырыва металла с поверхности образца. В табл. 1 представлено итоговое количество проходов полым цилиндрическим токоподводом и параметры шероховатости, полученные в этой области обработки. Таблица 1 Достигнутый параметр шероховатости при обработке поверхности с использованием полого цилиндрического токоподвода Номер опыта Токоподвод Кол-во проходов Шероховатость Ra 1 Полый 3 0,062 2 Полый 4 0,068 3 Полый 3 0,067 4 Полый 5 0,061 На основании проведенного эксперимента можно сделать следующий вывод. Использование полого токоподвода позволяет получить минимальную шероховатость Ra = 0,061 мкм с зеркальным блеском. Поверхность обладает высокой отражающей способностью. Пример качества обработанной поверхности показан на рис. 7. Рис. 7. Пример отражательной способности образца после струйной электролитно-плазменной обработки Кроме обработки плоских образцов исследования были проведены на криволинейных изделиях с использованием магнетронной распылительной головки. В качестве образца была взята турбинная лопатка из жаропрочной стали 20Х13. Обработка производилась в три прохода с использованием магнетронной распылительной головки. Для проведения экспериментов были составлены программы, описывающие криволинейную поверхность 1/3 части турбинной лопатки. Использовался электролит (до 14-30 г/л) на основе соли Na2SО4. Эксперимент проводился с использованием видео- и фотофиксации. Измерение шероховатости производилось по нескольким направлениям прибором измерения шероховатости TR-200. Полученные усредненные значения параметров шероховатости до и после обработки Ra и Rz занесены в табл. 2. Таблица 2 Режимы обработки лопатки и полученные параметры шероховатости поверхности Проход Токоподвод Напряжение, В Ток, А Расход, л/ч Параметр шероховатости поверхности Ra/Rz до обработки после обработки 1 Магнетронная распылительная головка 250 1,1 5 0,264/1,496 0,718/ 5,304 2 Магнетронная распылительная головка 260 1,0 5 0,264/1,496 0,718/ 5,304 3 Магнетронная распылительная головка 250 1,1 5 0,264/1,496 0,718/ 5,304 В ходе эксперимента с использованием магнетронной распылительной головки не было замечено электрических пробоев в работе установки, однако поверхность в нескольких местах оказалась значительно больше полированной, чем в других. Это связано с тем, что на момент проведения опыта экспериментальная установка могла работать только в трех координатах, что не позволило использовать круговую интерполяцию и в полной мере описать криволинейную поверхность лопатки, вследствие чего некоторые места оказались удаленнее от электрода-инструмента, а значит, и менее обработаны. Показано, что с помощью магнетронной распылительной головки можно снижать шероховатость на рабочих поверхностях турбинных лопаток в соответствии с требованиями конструкторской документации. Нами была проведен морфологический анализ поверхности образцов из стали 20Х13 после пиления, до и после обработки магнетронной распылительной головкой. Исследование проводилось на электронном микроскопе Supra 40VP. Данные представлены на рис. 8. а б Рис. 8. Морфология поверхности образцов из стали 20Х13: а - образец после пиления ленточной пилой; б - образец после обработки магнетронной распылительной головкой Показано, что после обработки магнетронной распылительной головкой существенно меняется макро- и микрорельеф поверхности, что в целом позволяет предположить ее использование для выполнения не только операций полировки поверхности, но и для проведения размерной обработки. Заключение Анализ проведенных экспериментов позволяет предположить, что использование струйной электролитно-плазменной обработки возможно как для обработки листовых материалов большой площади, так и для криволинейных поверхностей. Струйнная электролитно-плазменная обработка обладает существенными преимуществами по сравнению с обработкой изделий в ванне, прежде всего за счет повышения точности обработки и резкого уменьшения затрат по мощности применяемого оборудования и экологичности. Использование катодного модуля с магнетронной распылительной головкой позволяет прогнозировать применение ее для размерной обработки на операциях удаления микрорельефа поверхности после предварительного шлифования или чистовой фрезерной обработки.

About the authors

M. V Novoselov

Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University

N. G Shilling

Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University

A. A Rudavin

Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University

M. M Radkevich

Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University

A. I Popov

Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 51

PDF (Russian) - 35

Refbacks

• There are currently no refbacks.