Обеспечение стабильности процесса упрочнения поверхностных слоев деталей машин при электромеханической обработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обеспечение стабильности процесса упрочнения поверхностных слоев деталей машин при электромеханической обработке

Причиной выхода из строя большинства деталей машин является интенсивное изнашивание рабочих поверхностей и потеря первоначальной формы, размеров и точности сопряжения. Повышение сроков эксплуатации деталей машин напрямую связано с повышением износостойкости их рабочих поверхностей. Одним из способов воздействия на поверхностные слои деталей машин с целью повышения их износостойкости является способ электромеханической обработки (ЭМО).

Сущность способа электромеханической обработки заключается в высокоскоростном температурно-силовом воздействии на локальные объёмы поверхностного слоя упрочняемого металла при прохождении электрического тока плотностью 100…1000 А/мм² при напряжении 2…7 В через зону контакта деформирующего ролика инструмента с обрабатываемой поверхностью [1].

Согласно литературным источникам [1 - 3], одним из недостатков электромеханической обработки деталей машин является отсутствие стабильности процесса получения требуемых параметров качества обрабатываемой поверхности, основным из которых является глубина упрочнения. Неравномерная глубина упрочнения поверхностей деталей связана с нестабильным процессом тепловложения в поверхность. Стабильность процесса теплообразования определяется в первую очередь стабильностью силы тока при случайных отклонениях параметров электрической цепи. Анализ литературных данных [1; 2] показывает, что даже в условиях эксперимента разброс таких параметров, как плотность тока, достигает 20…50%, при этом плотность тока напрямую связана с глубиной упрочнения. В производственных условиях нестабильность процесса электромеханической обработки связана с наличием максимальной шероховатости на обрабатываемой поверхности, изменением усилия прижатия роликов инструмента к обрабатываемой детали, износом рабочих поверхностей роликов инструмента, попаданием в зону обработки окислов металла, жировых и масляных загрязнений, которые приводят к изменению электроконтактного сопротивления участка «инструмент - деталь». Отсюда мгновенное изменение плотности тока, приводящее к неравномерности глубины упрочнения, ухудшению шероховатости обработанной поверхности, ухудшению качества и неравномерному износу поверхностей деталей при эксплуатации.

Определим факторы, влияющие на стабильность процесса упрочнения методом ЭМО. Одним из таких факторов является обеспечение заданных выходных параметров источника питания, применяемого при ЭМО. Для ЭМО в основном применяются источники питания, используемые в сварочных работах, - сварочные трансформаторы с мощной вторичной обмоткой. Одним из основных параметров источника питания является его внешняя характеристика - зависимость напряжения нагрузки от величины рабочего тока [3]. Оценим влияние крутизны внешней характеристики источника питания на стабильность процесса ЭМО. Изменение тока в цепи и напряжения на контакте «инструмент - деталь» при случайных изменениях сопротивления данного контакта при использовании источников питания с внешними характеристиками различной крутизны представлено на рис. 1.

В начальный момент времени условно примем сопротивление контакта «инструмент - деталь» таким, чтобы прямая падения напряжения на детали I₂r_д1 проходила через точку пересечения внешних характеристик рассматриваемых источников питания (точка А на рис. 1). При этом оба источника обеспечивают рабочий режим ЭМО детали: I_2p, U_2p - ток в цепи и напряжение на контакте «инструмент - деталь».

При случайном увеличении сопротивления обрабатываемой детали прямая падения напряжения на контакте I₂r_д1 изменит своё положение на I₂r_д2. При этом в случае питания от источника с более крутопадающей внешней характеристикой ток уменьшится на величину I'₁, а с более пологопадающей - на величину I'₂, причём I'₁ I'₂. С учётом того что при этом возрастёт напряжение на контакте «инструмент - деталь», выделяемая на контакте мощность практически не изменится при крутопадающей внешней характеристике источника питания.

При пологопадающей внешней характеристике источника питания ток I'₂ уменьшится значительнее, а напряжение почти не увеличится, т.е. мощность, выделяемая на упомянутом контакте, явно снизится, и тем значительней, чем более пологая внешняя характеристика.

При случайном уменьшении сопротивления контакта «инструмент - деталь» наблюдается увеличение тока и снижение напряжения на нем (прямая I₂ r_д3 на рис. 1).

Источник питания с более крутопадающей внешней характеристикой изменяет ток на величину I₁, а с более пологой - на величину I₂, причём I₁ I_2. При этом возрастают числовые величины токов. В обоих случаях напряжение на контакте «инструмент - деталь» снижается.

В первом случае (для источника питания с крутопадающей внешней характеристикой) при пропорциональном изменении тока и напряжения, а точнее, при увеличении тока и уменьшении напряжения, выделяемая на контакте «инструмент - деталь» мощность практически не изменится.

Рис. 1. Изменение рабочего тока I2 во вторичной цепи при изменении сопротивления контакта rд для различных внешних характеристик трансформаторов установки для ЭМО

Во втором случае (для источника питания с пологопадающей внешней характеристикой) резкое увеличение силы тока сопровождается значительным увеличением напряжения на контакте «инструмент - деталь». Следовательно, возможно значительное повышение выделяемой мощности, особенно в местах микроконтактов, где могут происходить расплавление поверхностного слоя металла, его выплески и связанное с этим снижение качества обрабатываемой детали. Для обеспечения стабильности выходных параметров при ЭМО предпочтение следует отдать источникам питания с более крутопадающей внешней характеристикой. Такие источники имеют более высокое напряжение холостого хода. Из серийных источников можно рекомендовать трансформаторы с повышенным напряжением холостого хода, например трансформаторы подвесных точечных машин с напряжением до 14…16 В.

Другим фактором, влияющим на стабильность процесса обработки поверхностей деталей, является постоянно изменяющееся сопротивление контакта «инструмент - деталь».

Стабильность процесса упрочнения определяется постоянством вложенного тепла и, согласно закону Ома, напрямую зависит от неизменной силы тока I₂ при случайных отклонениях контактных сопротивлений и других параметров электрической цепи, учитываемых как полное комплексное сопротивление при электромеханической обработке (Z). Таким образом, величина силы тока I₂ определяется величиной напряжения холостого хода U_о и полным комплексным сопротивлением Z (Ом) при электромеханической обработке:

,

где r₂ - активное сопротивление контура, Ом; r_д - активное сопротивление контакта «инструмент - деталь», Ом; х₂ - индуктивное сопротивление трансформатора и токоподводящего контура во вторичной цепи, Ом.

Сопротивление Z_K трансформаторов мощностью 25…50 кВА, применяемых для ЭМО, составляет (30…50) 10^-6 Ом; активное сопротивление r₂ составляет (20…30) 10^-6 Ом; сопротивление контакта «инструмент - деталь» r_д может колебаться в пределах (70…400) 10^-6 Ом [1; 4; 5].

Важно отметить, что коэффициент полезного действия при этом изменяется от 0,6 до ~ 0,9. При максимальных сопротивлениях контакта r_д относительное сопротивление r1, следовательно, выделяемая на контакте мощность стремится к максимуму (рис. 2). Однако при r_д Z_K величина тока при обработке определяется величиной r_д, и получить постоянный режим обработки можно только при давлении ролика инструмента на деталь Р 100…120 Н [6].

На практике для определения r_д чаще всего используется эмпирическая формула

,

где С - удельное контактное сопротивление при усилии 10 Н, зависящее от материала и состояния поверхности обрабатываемой детали, Ом; Р - усилие прижатия, Н; т - показатель степени, зависящий от материала и состояния поверхности обрабатываемой детали.

Для стали т = 0,75 [1]. Для контакта «сталь - латунь» С = 3,03·10^-3 Ом - у поверхности, очищенной от окислов. Тогда для Р = 30 Н сопротивление контакта r_д = 0,699·10^-3 Ом; для Р = 100 Н r_д = 0,141·10^-3 Ом.

Найдем электросопротивление контакта «инструмент - деталь». С этой целью определим полное комплексное сопротивление контура установки Z_K (Ом) при коротком замыкании:

, (1)

где r₂ - активное сопротивление контура, Ом; х₂ - индуктивное сопротивление установки, Ом.

Большой диапазон изменения сопротивления приводит к изменению силы тока I, а изменение последней - к неравномерности глубины упрочнения поверхности детали. Устранить это явление возможно, увеличив индуктивное сопротивление вторичной цепи трансформатора х₂ так, чтобы оно превосходило активное сопротивление контакта «инструмент - деталь» r_д, и тем самым значительно уменьшив влияние активного сопротивления контакта «инструмент - деталь» на полное комплексное сопротивление Z и, следовательно, на силу тока I₂.

Глубина упрочнения определяется величиной энергии, вводимой в обрабатываемую поверхность в единицу времени, и условиями взаимосвязи параметров поверхности и электрического контура установки для ЭМО.

Значения энергии Q₁ (Дж), вводимой в обрабатываемую поверхность детали в единицу времени, равно

, (2)

где V - скорость обработки, м/с; В-ширина рабочей поверхности ролика инструмента, см; U₀ - напряжение холостого хода источника питания установки, В; - коэффициент, учитывающий то количество тепла, которое отводится в деталь, от общего количества выделенного тепла; - коэффициент полезного действия установки; I₂ - сила тока, проходящего через контакт «инструмент - деталь», А; U₂ - падение напряжения на контакте «инструмент - деталь», В.

Рис. 2. Зависимость активной мощности P, потребляемой в контакте «инструмент - деталь», h и cos ц от относительного сопротивления r

Формула (2) учитывает энергию, вводимую в единицу площади за время действия источника теплоты. Очевидно, что с увеличением U₀ и уменьшением V и В вводимая в обрабатываемую деталь энергия увеличивается.

Определим влияние параметра сопротивления (обозначим его k) на процессы при ЭМО.

k =.

Учитывая формулу (1), получим

.

Так как Си т определяются свойствами материала и шероховатостью поверхности обрабатываемой детали, параметр k учитывает их влияние - наряду с усилием прижатия ролика инструмента Р, активным (r₂) и индуктивным (х₂) сопротивлением контура установки - на величину вводимой в деталь мощности и глубину упрочнения ее поверхности. На рис. 3 приведена зависимость параметра k от усилия прижатия роликов инструмента Р к обрабатываемой детали при различных значениях индуктивного сопротивления контура х₂ и различных удельных контактных сопротивлениях С. При этом было учтено, что реальное активное сопротивление кон тура, как указывалось ранее, не может быть менее (20…30) 10^-6 Ом (принято 30 мкОм); индуктивное сопротивление составляет (100…600) 10^-6 Ом и более (на рис. 3 показана зависимость при х₂ = 100·10^-6 Ом и х₂ = 600·10^-6 Ом); применяемое давление прижатия ролика обычно составляет от 30 до 400 Н. Более высокое давление из-за низкого качества полученной поверхности детали применять не рекомендуется [1]. Из рис. 3 следует, что стабильный процесс упрочнения, независимо от давления и контактного сопротивления, можно получить при большой индуктивности вторичного контура источника питания установки для ЭМО. Реально изменить ее возможно, только увеличив искусственно [7]. На рис. 4 построена зависимость сопротивления контакта «инструмент - деталь» r_д от усилия прижатия роликов Р (давления) при различном удельном контактном сопротивлении С. Сравнивая графики, полученные экспериментальным путем (рис. 3, 4), и известные практические сведения из литературы, приходим к выводу, что увеличение индуктивного сопротивления контура уже до 600 ·10^-6 Ом обеспечивает стабильность параметра k при колебаниях усилия Р, а также при вполне возможных изменениях сопротивления контакта «инструмент - деталь» r_д и (С) [7]. Вводимая в изделие мощность при постоянстве величин U_о, V и В приводит к равномерной глубине упрочнения поверхности детали.

Рис. 3. Зависимость параметра k от усилия Рис. 4. Зависимость сопротивления контакта прижатия роликов Р при различных значениях «инструмент - деталь» r_д от давления Р при раз индуктивного сопротивления контура х₂ личных удельных контактных сопротивлениях С и различных удельных контактных сопротивлениях С

Из графиков на рис. 3 также следует, что при индуктивном сопротивлении х₂ = =100·10^-6 Ом наблюдаются значительные изменения k (как при изменении Р, так и при изменении С), что свидетельствует о практической невозможности обеспечения стабильности процесса ЭМО без дополнительных средств. Снижение k при увеличении х₂ очевидно, но это легко компенсировать увеличением U_o (в первую очередь), а также снижением V и В, что применять нежелательно из-за снижения производительности процесса ЭМО.

Таким образом, постоянство вводимой в пятно контакта «инструмент - деталь» энергии, которая обеспечивает стабильность процесса ЭМО, будет тем выше, чем выше индуктивность контура источника питания.

Экспериментально исследовалось влияние активного сопротивления контура при различных индуктивных сопротивлениях цепи на величину тока и падения напряжения на выходе.

Для исследований использовался трансформатор подвесной точечной машины МТП - 806 со стабилизирующим устройством [7]. Для получения различного сопротивления между деталью и инструментом использовались стальные и нихромовые кольца различной толщины, насаженные на ролики инструмента [8]. Сопротивление контакта «инструмент - деталь» составляет 56 - 156 мкОм при изменении давления от 300 до 400 Н и снижается до 37 мкОм при 700 Н. Эти данные соответствуют значениям m = 0,75 и С = 510^-3 Ом для обезжиренной, очищенной углеродистой стали.

В общем случае при пластическом деформировании m = 0,5 - 1,1 (в зависимости от формы контакта). При упругом деформировании величина m снижается и может составлять 0,3 - 0,35 [9]. Это необходимо учитывать при разработке упрочняющего инструмента для ЭМО. Величина С зависит от контактирующих материалов и возрастает с ростом их удельного электросопротивления.

Таким образом, представляет интерес исследовать влияние сопротивления контакта «инструмент - деталь» на выходные параметры процесса при его изменении от 30…40 до 150…200 мкОм. Сопротивление между роликами 30…40 мкОм обеспечивала пластина из малоуглеродистой стали толщиной 1 мм, а максимальное сопротивление 150…200 мкОм - пластина из нихрома толщиной 10 мм.

Прямые падения напряжения на детали построены на рис. 5. Там же построены внешние характеристики трансформатора контактной машины МТП - 806 (прямые 1 - 4) и трансформатора МТР - 1201 (штриховая линия), используемых в эксперименте при ЭМО.

Рассмотрим изменение параметров процесса при использовании внешней характеристики 2 (рис. 5). При изменении сопротивления от 30 (прямая 5) до 200 мкОм (прямая 6) сила тока изменяется от 2 до 1,5 кА, а напряжение - от 0,6 до 3 В. Выделяемая в контакте энергия Q₁ = IU_k: при r_д1 = 30 мкОм Q₁ = 2000·0,6 = 1,2 кДж; при r_k2 = 200 мкОм Q₂ = 1500·3 = 4,5 кДж.

Рис. 5. Влияние величины контактного сопротивления на выходные параметры процесса при ЭМО: 1 - 4 - внешние характеристики трансформатора контактной машины МТП - 806; 5 - rд = 30 мкОм; 6 - rд = 200 мкОм; 7 - rд = 60 мкОм

Можно сделать вывод о том, что при одной и той же внешней характеристике источника питания путем изменения электроконтактного сопротивления можно регулировать выделяемую в контакте энергию, что расширяет технологические возможности оборудования для ЭМО. Следует отметить, что даже при изменении контактного сопротивления почти на порядок ток меняется относительно незначительно: от 2 до 1,5 кА. Наиболее типична для ЭМО точка А (рис. 5). Она соответствует давлению инструмента на деталь 400…500 Н. Если в этой точке сопротивление контакта будет меняться на 20 - 30% (сравним: сопротивление в точке А в два раза меньше, чем в точке А₁), то ток и напряжение фактически изменяться не будут. Вместе с тем, как было показано, с увеличением по каким-либо причинам контактного сопротивления энергия, выделяемая в контакте, увеличится, температура возрастет. Этот процесс улучшит условия пластической деформации, приведет к увеличению площади контакта и снижению электроконтактного сопротивления. При снижении сопротивления процесс будет протекать наоборот, т.е. будет наблюдаться явление саморегулирования параметров режима ЭМО.

Рассмотрим изменение параметров процесса в зависимости от электроконтактного сопротивления при использовании трансформатора контактной машины МТР - 1201. Его внешняя характеристика (штриховая линия на рис. 5) пересекает прямые 5 и 6 в точках В и В₁ со следующими параметрами: в точке В - U₂ = 0,8 В, I₂ = 2,5 кА; в точке В₁ - U₂ = 1,3 В, I₂ = 0,7 кА. В результате точке В соответствует энергия Q_В = 2 кДж, а точке В₁ - энергия Q_В1 = 0,91 кДж, т.е. в данном случае с ростом сопротивления энергия, выделяемая в электроконтакте, снижается, явление саморегулирования отсутствует. При случайных изменениях сопротивления детали будут также большие отклонения тока, т.е. будет значительно сложнее обеспечить стабильность параметров процесса электромеханической обработки.

Стабильность процесса упрочнения слоя поверхности детали по глубине оценивалась методом шлифов. Эксперимент проводился при одних и тех же режимах, марке оборудования и технологической оснастке (инструменте). Обработка проводилась при плотностях тока I = 300, 500 и 1000 А/мм². Детали, подвергаемые упрочнению, представляли собой болванки диаметром 50 мм, длиной 300 мм, изготовленные из стали 45 и стали 40Х. Разброс параметра глубины упрочненного слоя поверхности заготовки составил 8…10% при эксперименте против 15…20% при базовом варианте установки для ЭМО. Исходя из изложенного, можно сделать вывод о верном направлении проведенных исследований, об их целесообразности и практической применимости.

Таким образом, для обеспечения стабильного процесса упрочнения поверхностного слоя деталей машин методом ЭМО рекомендуется применять трансформаторы с наиболее крутопадающей внешней характеристикой и повышенным напряжением холостого хода. Во вторичную обмотку трансформатора источника питания установки целесообразно включить дополнительное индуктивное сопротивление, превышающее сопротивление электроконтакта «инструмент - деталь» и равное 500…600 · 10-⁶ Ом. В результате предложенных мер при электромеханической обработке деталей машин достигается значительное повышение стабильности процесса тепловложения в поверхность, что приводит к равномерной глубине упрочнения детали при примерно одинаковых значениях высотных параметров шероховатости поверхностей.

Список литературы

1. Аскинази, Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой / Б.М. Аскинази. - М.: Машиностроение, 1989. - 200 с.

2. Максимов, А.И. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей при комбинированной обработке на основе электромеханического упрочнения / А.И. Максимов, О.А. Горленко, Е.Н. Фролов // Вестник машиностроения. - 1995. - №5. - С. 28 - 31.

3. Светлов, А.Т. Влияние внешней характеристики источника питания на стабильность процесса электромеханической обработки изделий / А.Т. Светлов, О.А. Горленко, Е.В. Болтенко, В.В. Коряжкин // Сварка и контроль - 2001: Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф.: сб. докл. - Воронеж: ВГАСУ, 2001. - 372 с.

4. Глебов, Э.В. Расчет и конструирование машин контактной сварки / Э.В. Глебов, Н.А. Пескарев, Д.С. Фейгенбаум. - Л.: Энергоиздат, 1989. - 424 с.

5. Рыськова, З.С. Трансформаторы для контактных электросварочных машин / З.С. Рыськова. - М.: Госэнергоиздат, 1978. - 244 с.

6. Кочергин, К.А. Сварка давлением / К.А. Кочергин. - М.: Машиностроение, 1972. - 216 с.

7. Пат. 2233217 РФ. Интегральная установка для электромеханической обработки / Горленко О.А., Светлов А.Т., Болтенко Е.В.

8. Пат. 2233217 РФ. Инструмент для электромеханической обработки / Горленко О.А., Светлов А.Т., Болтенко Е.В.

9. Новиков, Ю.Н. Теория и расчет электрических аппаратов / Ю.Н. Новиков. - Л.: Энергия, Ленингр. отд - ние, 1970. - 327 с.

Размещено на Allbest.ru