Послідовна електроерозійна та електрохімічна обробка сталей незмінним дротяним електродом

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Необхідною умовою розвитку техніки та галузей промисловості, де вона використовується є підвищення технологічності деталей, з яких складаються машини, а також покращення їх експлуатаційних характеристик. При цьому важливою є якість робочих поверхонь, яка визначає міцність, витривалість, зносостійкість деталей в цілому.

Залежно від складності машини та окремих деталей при їх виготовленні використовують різноманітні технології. Останнім часом для деталей складної конфігурації, високої твердості та з високими вимогами по точності широко використовують електроерозійне обладнання, значну частину якого складають електроерозійні вирізні верстати. Номенклатура деталей, які можливо отримати за допомогою електроерозійного дротяного вирізання, внаслідок унікальності процесу обробки з кожним роком набуває все більшого розмаїття, однак зберігаючи стійку тенденцію, за якої основним матеріалом, що обробляється (більше 80%) є різноманітні марки сталей. Виробництва, де використовуються технології електроерозійного дротяного вирізання (ЕЕДВ), висувають високі вимоги до параметрів виробів. Особливо це стосується шорсткості отриманих поверхонь, товщини та властивостей чи повної відсутності в структурі поверхневих шарів зони термічного впливу. Виконати ці вимоги, перебуваючи в рамках технології електроерозійного руйнування матеріалу складно, дорого, а стосовно зони термічного впливу практично неможливо.

Так, в надсучасних верстатах світового лідера на теренах електроерозійних нанотехнологій фірми "Sodick", дзеркальне вигладжування поверхонь сталевих заготовок до Rа 0,08 досягається за 12 проходів зі зміною робочого середовища, що в багатьох випадках призводить до неприйнятного здорожчання отриманих деталей, в необхідних технологічних випадках не усуваючи зони термічного впливу.

В ситуації, що склалася, перспективи підвищення якості та продуктивності дротяного формоутворення без надмірного здорожчання виробництва може надати підхід до проблеми, що ґрунтується на поєднанні електроерозійної технології з методами обробки заснованими на інших принципах руйнування матеріалу.

Добре відомо, що електрохімічна обробка принципово дозволяє з продуктивністю, що суттєво переважає електроерозійну технологію, отримувати сталеві поверхні з Rа менше 0,3 мкм при повній відсутності зони термічного впливу. Незважаючи на те, що схеми й технологічні можливості розмірної електрохімічної обробки досить добре вивчені, схема обробки складнопрофільних лінійчатих поверхонь тонким дротяним електродом, при русі електрода еквідістантно до формованої тим же електродом поверхні залишилася практично не вивченою.

Сукупність технологічних параметрів обробки (величина міжелектродного проміжку, склад, температура й гідродинамічні особливості руху потоку електроліту, амплітудно-часові параметри джерела технологічного струму, швидкість руху електрода, вихідний стан поверхні після ЕЕДВ) визначають характеристики руйнування матеріалу заготовки і, відповідно, параметри поверхні, отриманої при використанні електрохімічної обробки.

Таким чином, створення, розвиток і вдосконалення електрохімічної обробки дротяним електродом (ЕХОДЕ), як методу, пов'язане з необхідністю комплексного дослідження базових процесів, які протікають у міжелектродному проміжку (МЕП), що і є центральним завданням даної роботи та обумовлює її актуальність. Вирішенню цього завдання і присвячена представлена робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися у Черкаському державному технологічному університеті згідно з держбюджетними темами “Фізико-технологічні основи керування якістю поверхні при комбінованій дротяній електроерозійній та електрохімічній обробці” (номер державної реєстрації 0110U006177) та “Розроблення технології комплексної електроерозійно-електролітно-плазмової обробки” (номер державної реєстрації 0108U009287).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи: керовано підвищити якість поверхневого шару деталей, утворених електроерозійним дротяним вирізанням шляхом комбінованого методу обробки, що поєднує послідовне електроерозійне дротяне вирізання з наступною електрохімічною обробкою тим же дротяним електродом.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:

1) провести аналіз основних фізико-хімічних властивостей електролітів, які можливо використовувати для проведення ЕХОДЕ після ЕЕДВ, обґрунтувати вимоги до електролітів та обрати конкретні склади електролітів для проведення експериментальних та теоретичних досліджень процесу ЕХОДЕ;

2) розробити методики та пристрої для експериментального дослідження поляризаційних процесів та розподілу потенціалів в міжелектродному проміжку при ЕХОДЕ;

3) теоретично та експериментально визначити розподіл густини струмів по поверхні оброблюваної деталі та його вплив на процес зняття матеріалу при ЕХОДЕ;

4) створити та верифікувати математичну модель для розрахунку гідродинамічних режимів руху робочої рідини в МЕП;

5) встановити закономірності впливу параметрів ЕХОДЕ на стан поверхневого шару деталі;

6) озробити технологічні рекомендації щодо параметрів ЕХОДЕ та складу електроліту для досягнення необхідної продуктивності обробки та якості поверхневого шару деталі.

Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом дослідження є процес комплексного електроерозійного та електрохімічного формоутворення при обробці сталей дротяним електродом. Предметом дослідження є електричні та гідравлічні параметри електрохімічної обробки дротяним електродом і фізико-хімічні властивості поверхневих шарів анода.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводились на основі теорії іскрового розряду, гідродинаміки, теорії електрохімічного руйнування металів, широкого використовувались методи математичної обробки результатів експерименту, методи математичного моделювання розподілу потенціалів, поляризації електродів та процесів масопереносу в МЕП. Експериментальні дослідження проводились на спеціалізованому електроерозійному обладнанні з використанням сучасної реєструючої та вимірювальної апаратури.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому:

1. Вперше доведено ефективність комбінованої обробки сталей електроерозійним та електрохімічним методами незмінним дротяним електродом в одній технологічній установці.

2. Вперше для схеми електрохімічної обробки дротяним електродом за відомих параметрів електроліту отримано рівняння, що пов'язують технологічні параметри процесу (різниця потенціалів між електродами, геометрична величина МЕП, густина технологічного струму на поверхні деталі, ступінь локалізації процесу) та кінцеві показники обробки (швидкість електрохімічного розчинення, шорсткість отриманих поверхонь).

3. Встановлено, що рух робочої рідини в малому (0,05 - 0,4 мм) щілинному зазорі між дротяним електродом та поверхнею обробки при коаксіальній подачі зверху в залежності від технологічних умов (швидкість руху рідини в соплі, діаметр сопла, зазор між соплом та деталлю, величина щілинного зазору) може проходити в трьох формах струменю: стабільному, нестабільному та відхиленому потоках. Якісна електрохімічна обробка може бути реалізована лише при стабільному потоці.

4. Експериментально доведено можливість керовано формувати структуру поверхневого шару для забезпечення необхідного стану поверхні деталі завдяки видаленню частини загартованого шару, загартованого шару та частини перехідного шару або повністю загартованого та перехідного шару.

Практична цінність роботи.

Розроблена комбінована технологія електроерозійного дротяного вирізання з подальшою електрохімічною обробкою дротяним електродом впроваджена на ВАТ «Мотор-Січ» (м. Запоріжжя), що підтверджено відповідним актом. Застосування комплексної технології на базі електроерозійного вирізного верстата з подальшою ЕХОДЕ дозволило в 2-5 разів скоротити тривалість обробки на чистових режимах порівняно в ЕЕДВ та на 10% -20% зменшити кількість бракованих деталей.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі вклад автора полягає в розробці методики та обладнання визначення динаміки поляризації електродів [1]; розробці експериментальної установки для реалізації та досліджень процесу ЕХОДЕ на електроерозійному вирізному верстаті [6,7]; визначенні підходів та проведенні моделювання руху рідини при її коаксіальній подачі у відкритий паз [4]; обґрунтуванні та розробці математичної моделі розподілу електричних потенціалів в МЕП та густини струмів на поверхні анода [3,5,10]; обґрунтуванні раціонального складу електролітів для обробки конструкційних та інструментальних сталей; проведенні комплексних системних досліджень параметрів поверхневих шарів деталей після ЕХОДЕ; розробці методики розрахунку параметрів ЕХОДЕ, що слідує за ЕЕДВ [2,8,9]. Впровадження результатів досліджень у виробництво проведено автором спільно зі співробітниками Черкаського державного технологічного університету.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідались на 1-й Міжнародній науково-технічній конференції «Теорія та практика раціонального проектування, виготовлення і експлуатації машинобудівних конструкцій», м. Львів, 2008р.; ХІ Міжнародній науково-технічній конференції «Прогресивна техніка і технологія - 2008», м. Севастополь, 2008р.; 51-й Міжнародній конференції «Актуальные проблемы прочности», м. Харків, 2011р.; ХІІ Міжнародній науково-технічній конференції «Прогресивна техніка і технологія - 2011», м. Севастополь, 2011р.

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 10 працях: 5 статей у провідних фахових виданнях, 2 патенти України на корисну модель, 1 тези доповідей на міжнародних наукових конференціях, 2 статті у збірниках наукових праць.

1. Аналіз механізмів формоутворення поверхні при електроерозійному дротяному вирізанні (ЕЕДВ) у водопровідній воді, вплив енергетичних показників процесу на стан поверхневих шарів, проблема низької продуктивності процесу ЕЕДВ при кінцевому формуванні поверхні високої якості, розглядаються існуючі методи кінцевого формування поверхні в процесі ЕЕДВ та після нього

електрод поляризаційний дротяний

Якість поверхневого шару деталей суттєво впливає на їх експлуатаційні характеристики. При створенні поверхні деталей та зміні її характеристик важливо не змінювати або мінімально впливати на точнісні параметри деталей. Всі попередні дослідження та сучасні підходи провідних фірм-розробників електроерозійного вирізного обладнання щодо утворення поверхні при ЕЕДВ не дають можливості отримувати високу точність при достатньо високій продуктивності. Крім того існуючі методи обробки не усувають зону термічного впливу (ЗТВ) на поверхні деталей, що в ряді випадків є визначальним.

Рис. 1. Схема ЕХОДЕ у відкритому пазу з коаксіальним способом подачі рідини

В результаті аналізу літературних джерел, встановлено, що для забезпечення високої продуктивності процесу точного формоутворення дротяним електродом-інструментом необхідно виконати такі вимоги:

1) на перших стадіях застосувати ЕЕДВ як точний метод формоутворення;

2) на кінцевих стадіях використати суміжний процес, який можливо проводити за допомогою того ж електроду-інструменту та в тій же технологічній установці і який не має негативних силових впливів на дротяний електрод-інструмент.

Для вирішення цієї задачі було вирішено адаптувати електрохімічну обробку (ЕХО), яка має ряд переваг: не відбувається силового впливу на електроди, має високу продуктивність, не зношується електрод-інструмент, забезпечує низьку шорсткість поверхні, не створює ЗТВ. Недостатня точність формоутворення за умов ЕХО повинна усуватися за рахунок використання дротяного електрода-інструмента та обробки на відносно малих МЕП та низьких енергетичних параметрах джерела струму. Запропонована електрохімічна обробка дротяним електродом (рис.1) у сукупності з попереднім ЕЕДВ потребує визначення раціональних умов проведення ЕЕДВ та визначення гідравлічних, електричних параметрів ЕХОДЕ та їх вплив на стан поверхевих шарів після такої комбінованої обробки.

Таким чином, на основі літературного огляду були сформульовані задачі досліджень.

2. Опис обладнання та методик, за допомогою яких проводились дослідження

За базу експериментальних досліджень слугували електроерозійний верстат з числовим програмним керуванням (ЧПК) моделі СЕЛД_02, що комплектується генератором технологічного струму ГКІ300-200А. Для реалізації ЕХОДЕ був розроблений комплекс технологічного струму.

Динаміка поляризації вимірювалась гальвано-імпульсним методом на спеціально розробленій установці.

Вимірювання струмів, потенціалів електродів та технологічної напруги, що подається в МЕП на різних режимах обробки, проводилися за допомогою цифрового осцилографа на базі плати PCI-1806HL до персонального комп'ютера.

Аналіз отриманих осцилограм проводився за допомогою персонального комп'ютера в середовищі системи автоматизованого проектування LABVIEW 8.2 та програмного пакету MathCAD 13.

Профілограми рельєфу поверхні, що утворився на деталі в результаті ЕХОДЕ, визначалися за допомогою профілометра моделі ПМ-210 та Hommel Tester T500.

Топографію поверхні зразків досліджували на растровому електронному мікроскопі моделі JSM-6490. Аналіз отриманих профілограм проводився за допомогою персонального комп'ютера в середовищі системи автоматизованого проектування Autocad 2000i та програмного пакету MathCAD 13.

Твердість та мікротвердість зразків визначалася на приладі ПМТ-3.

При дослідженні кінематичної в'язкості розчинів електролітів використовувались віскозиметр ВПЖТ-4. За допомогою джерела живлення постійного струму Б5-21 та міліамперметру визначалась питома провідність.

Корозійні ушкодження, що утворилися на зразках, досліджувалися за допомогою мікроскопу МБС-9. Показник корозії за втратою ваги вимірювався за допомогою терезів НТ-80.

Третій розділ присвячений експериментальному дослідженню та математичному моделюванню умов ЕХОДЕ для визначення кількісних і якісних параметрів обробки.

В процесі ЕХОДЕ при обробці конструкційних сталей переважають процеси розчинення заліза, оскільки домішки становлять незначну масову частину складу. Для реалізації ЕХОДЕ з умов екологічності, низької вартості, низької агресивності, високої енергетичної ефективності, локалізуючої здатності та ін. в процесі дослідів у якості електроліту було обрано розчини нейтральних солей NaCl та NaNO3. Для покращення протікання електроліту в малому МЕП та підвищення корозійної стійкості деталей застосовувались домішки неіоногенних поверхнево-активних речовин (ПАР) типу ОС-20 та ДС-10.

Експерименти показали, що раціональним складом електроліту є 15% вміст солі та 0,6% ПАР наведених вище.

Безпосереднє визначення гідродинамічних параметрів струменя рідини при проведенні ЕХОДЕ у вузькому щілинному зазорі МЕП (0,05-0,5 мм) практично неможливе. Для вирішення цієї задачі було застосовано методи математичного моделювання. У комп'ютерній системі моделювання руху рідини та газу Flow Vision було обрано тривимірну модель ламінарного руху нестисливої в'язкої рідини (рис.2), що базується на рівняннях Нав'є-Стокса та суцільності середовища:

Рис. 2. Розрахункова схема ЕХОДЕ

, (1)

де - векторне поле швидкостей, t - час, p - тиск, - густина, - динамічна в'язкість, - масові сили.

Граничні умови (рис. 2) задавались наступним чином (в термінах Flow Vision):

на виході із сопла - вхід, нормальна швидкість - ;

поверхня заготовки - стінка, логарифмічний закон, що враховує значення пісочної шорсткості в мкм - , ;

поверхня дротяного електрода - стінка з просковзуванням - , ; всі інші ділянки поверхні моделі - вільний вихід - ; при , при .

Тут - нормальна та тангенціальна складові вектори швидкості, - проекції вектора швидкості на осі координат, - вектор нормалі до границі.

Результати моделювання методом кінцевих об'ємів показали, що залежно від вхідних параметрів гідравлічної системи потік електроліту може мати 3 характерних форми струменю:

а) стабільний, рівномірна швидкість течії рідини по висоті МЕП (рис.3,а) - допустима при ЕХОДЕ;

б) нестабільний (початок відхилення струменя), наявність суттєвого градієнту швидкості течії по висоті МЕП (рис.3,б) - недопустима при ЕХОДЕ;

в) відхилений струмінь, відсутність течії рідини на великій ділянці висоти МЕП (рис.3,в) - недопустимий при ЕХОДЕ.



Рис. 3. Типові форми струменя та графіки швидкості течії електроліту вздовж МЕП при коаксіальній подачі струменя у відкритий паз: а) стабільний потік (d=2,5 мм, h=0,4 мм, =15 м/с), б) нестабільний потік (d=2,5 мм, h=0,4 мм, =20 м/с), в) відхилений потік (d=3,5 мм, h=0,4 мм, =15 м/с)

За сукупністю даних, отриманих при розрахунку моделі отримано залежності (рис. 4, 5), які дають можливість призначити оптимальні вихідні параметри залежно від технологічних потреб.



Рис. 4. Залежність мінімальної швидкості v1 течії електроліту в міжелектродному проміжку від вихідної швидкості струменя : 1 - d = 2,5 мм, h = 0,4 мм, 2 - d = 2,5 мм, h = 0,3 мм, 3 - d = 2,5 мм, h = 0,2 мм.

Рис. 5. Швидкість потоку електроліту в міжелектродному проміжку у відкритому пазу залежно від діаметра сопла при: 1 - v0=10 м/с, h = 0,4 мм; 2 - v0=10 м/с, h = 0,2 мм; 3 - v0=5 м/с, h = 0,4 мм; 4 - v0= 5 м/с, h= 0,2 мм; 5 - v0= 1 м/с, h = 0,4 мм; 6 - v0= 1 м/с, h = 0,2 мм.

Адекватність моделі перевірялась експериментально по реперним точкам, при яких спостерігалось явище відхилення струменя.

Експерименти з дослідження динаміки поляризації показали відсутність помітних перехідних процесів при ЕХОДЕ, що свідчить про відсутність явища накопичення електродного потенціалу при високій частоті слідування імпульсів. Це дозволяє використовувати тривалості імпульсів від 10,5 мкс і вище, за яких тривалість перехідних процесів становить не більше 20% від тривалості імпульсу технологічного струму. Одним з найбільш важливих і складних питань пов'язаних з ЕХОДЕ є розподіл густини струмів в МЕП при використанні відносно малих діаметрів (0,1-0,3 мм) дротяних електродів. Густина струму суттєво визначає показники якості отриманої поверхні. Особливо гостро це питання постає при обробці складнопрофільних деталей, де на відміну від традиційної ЕХО, за умов ЕХОДЕ технологічна можливість локалізувати процес обробки, а отже забезпечити відносно невелику зону розтікання технологічного струму, практично визначає керованість процесу і його кінцеві результати.

Розподіл струмів визначається як функція питомої електропровідності електроліту та напруженості електричного поля:

. (2).

Розподіл потенціалу в міжелектродному проміжку визначається виразом:

, (3)

де

. (4)

Для визначення поля розподілу потенціалів між нескінченним дротом та площиною заготовки створено математичну модель, яка дозволяє визначити розподіл потенціалів у другому наближенні, тобто з урахуванням поляризації електродів від проходження струмів. Розрахунки за даною математичною моделлю у системі MathCAD дозволили отримати поля потенціалів для будь-яких варіантів вихідних даних: діаметру електроду-інструмента, провідності електроліту, величини МЕП. Типові розраховані поля приведені на рис. 6.

Рис. 6. Розподіл потенціалів в міжелектродному проміжку між циліндричним дротяними електродом діаметром 0,25 мм і плоскою поверхнею заготовки для величини МЕП: а) - 0,1 мм; б) - 0,3 мм; в) - 0,5 мм (різниця потенціалів між електродами 4В, враховано анодну та катодну поляризації)

Враховуючи розподіл потенціалів та провідність електроліту можливо визначити розподіл густини струму по поверхні анода-заготовки, який і визначає об'єм знятого матеріалу (рис. 7).

Рис. 7. Розподіл густини анодного струму по поверхні анода при обробці електродами діаметром 0,25 мм (г, д, е) для МЕП Д = 0,1 мм (г), Д=0,3 мм (д), Д=0,5 мм (е): 1) 15% водний розчин NaNO3; 2) 15% водний розчин NaCl

У межах зони, в якій густина анодного струму перевищує 0,2 А/см2 і спостерігається розчинення, отримані криві можна описати у вигляді функції нормального розподілу виду:

,. (5)

де a, b і у - коефіцієнти, що залежать від діаметру електрода-інструмента, МЕП, типу і концентрації електроліту.

Що менше величина МЕП, то менше значення у, та менша зона розтікання струму по поверхні анода і вище локалізація процесу. Більше значення величини МЕП, відповідає великим значенням у, зона розтікання анодного струму більше і менше локалізованим є процес анодного розчинення.

Товщина шару, що знімається при проходженні електрода вздовж поверхні заготовки, визначається за формулою:

(6)

де визначається за ф-лою (10), еm - електрохімічний еквівалент, з - вихід по струму, с - густина матеріалу анода, H - висота заготовки, ф - тривалість імпульсів, х - подача електрода-інструмента

Теоретично розраховані значення знятого матеріалу перевірені експериментально при нерухомому електроді (рис. 8, 9).



Рис. 8. Профілограми зразка при обробці нерухомим дротяним електродом діаметром 0,15 мм: 1) Д=0,5 мм; 2) Д=0,3 мм; 3) Д=0,2 мм; 4) Д=0,1 мм; 5) Д=0,05 мм.

Рис. 9. Профіль канавки при обробці дротяним електродом діаметром 0,15 мм, Д=0,3 мм, U = 4 В: 1) експериментальний; 2) розрахунковий

Таким чином, за відомих технологічних параметрів процесу (у тому числі швидкості руху дротяного електрода еквідістантно до поверхні, що обробляється, можливо розрахувати об'єм видаленого з поверхні заготовки матеріалу і відповідну зміну геометричних розмірів, або вирішити зворотну задачу, тобто за необхідними геометричними розмірами і шаром знятого матеріалу розрахувати відповідні параметри технологічного процесу.

Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу комбінованої електроерозійної вирізної та електрохімічної обробки дротяним електродом на мікрорельєф, механічні та фізико-хімічні властивості поверхневих шарів сталі.

Фотографії поверхні деталі, обробленої електроерозійним методом та методом ЕХОДЕ отримані на растровому електронному мікроскопі моделі JSM-6490 наведені на рис.10. З фотографій видно, що поверхня, отримана після ЕХОДЕ позбавлена дефектів, характерних електроерозійній обробці, що підтверджується профілограмами поверхні зробленими на приладі HOMMEL TESTER T500. Шорсткість поверхні за один прохід методом ЕХОДЕ зменшується від Ra 2,4 до Ra 1,8…0,8 залежно від умов ЕХОДЕ.

Зменшення шорсткості поверхні при проведенні ЕХОДЕ після ЕЕДВ значно залежить від сили технологічного струму та типу і складу електроліту (рис. 11). Так за графіками (рис. 11) видно, що введення ПАР у склад електроліту зменшує шорсткість на 5%.

Рис. 10. Топографії та шорсткість поверхні зразка після: 1) ЕЕДВ три проходи; 2) ЕХОДЕ.

В умовах ЕЕДВ в МЕП при обробці відпаленої заготовки поверхневі шари прогріваються до температур 800-1200 єС, оскільки крім безпосередньої дії ерозійного розряду енергія отримується від крапель розплавленого металу, що конденсується з парів на поверхні деталі. Маса нагрітого металу нескінченно мала порівняно з масою заготовки, і завдяки великій теплопровідності швидкість охолодження матеріалу сягає 500-1000 єС/с. Таким чином хімічний склад матеріалу, температури та швидкості охолодження обумовлюють утворення в поверхневих шарах загартованих структур, а саме - дрібнозернистому мартенситу.

Рис. 11. Залежність шорсткості отриманої поверхні від середнього струму ЕХОДЕ: 1 - NaNO3 15%; 2 - NaCl 15% + OC-20 0,6%; 3 - NaNO3 15% + OC-20 0,2%

З шліфів (рис. 12) видно, що під поверхневим шаром з гартувальних структур є перехідний шар, що складається з структур, отриманих неповним загартуванням, вони складаються з мартенситу, залишкового аустеніту та надлишкового фериту.

Рис. 12. Ділянки шліфів зразків із сталі 45 при електроерозійній чорновій обробці (1_й прохід): 1) поверхневий шар, 2) перехідний шар, 3) основний матеріал у відпаленому стані)

Дослідження шліфів зразків після ЕХОДЕ показали, що можливі три варіанти стану поверхневого шару, а саме: 1) наявні загартований, нормалізований та основний шари; 2) наявні нормалізований та основний шари, 3) наявний лише основний шар.

Характеристики твердості шарів після ЕЕДВ та після ЕХОДЕ визначалися на мікротвердомірі ПМТ-3 за методом Віккерса при низькому навантаженні, що дозволяє визначати мікротвердість тонких шарів. Отримані дані підтвердили параметри твердості характерні для наведених структур і становили: ~55 HRC для загартованого шару, ~48 HRC для нормалізованого шару, ~28 HRC для основного матеріалу).

Серія експериментів щодо визначення стійкості проти корозії зразків зі сталей 45, У8 показала, що стійкість зразків, оброблених ЕХОДЕ зростає у 2,5-8 разів порівняно зі зразками, обробленими ЕЕДВ. Зразок з Х12М не зменшував своєї маси (рис. 13).

Рис. 13. Втрата маси зразків з часом у водопровідній воді оброблених різними методами: а) зразок із cталі 45; б) зразок із У8; 1 - ЕЕДВ; 2 - ЕХОДЕ NaCl 15%; 3 - ЕХОДЕ NaCl 15% + ОC-20 0,6%; 4 - ЕХОДЕ NaNO3 15% + ДC-10 0,6%

Це пояснюється такими чинниками: 1) ЕХОДЕ зменшує шорсткість отриманої поверхні, що зменшує ефективну площу деталі, що піддається впливу корозійного середовища;

2) під час ЕХОДЕ оброблена поверхня під дією електроліту піддається пасивації, що подібна до анодного оксидування сталей;

3) використання під час ЕХОДЕ у водних розчинах електролітів неіоногенних ПАР типу ДС-10 та ОС-20 призводить до сповільнення процесу корозії через утворення гідрофобної плівки.

П'ятий розділ присвячений розробці методики практичного проектування технологічних процесів комбінованої електроерозійної та електрохімічної обробки сталі дротяним електродом.

Результати проведеного дослідження параметрів комплексної ЕЕДВ та ЕХОДЕ, що дозволили отримати задані показники якості поверхні, покладенні в основу алгоритму.

Послідовність розробки комбінованої ЕЕДВ та ЕХОДЕ така. Вихідними даними є: матеріал заготовки, необхідна шорсткість поверхні, точність розмірів, величина залишкової ЗТВ, розміри заготовки та необхідна корозійна стійкість. Поетапно згідно схеми визначаються діаметр електроду-інструменту, який забезпечує задану точність, продуктивність процесів ЕЕДВ та ЕХОДЕ. Кількість проходів визначається з урахуванням рекомендації проведення двох електроерозійних проходів та одного-двох електрохімічних. На кожний процес призначаються частотно-енергетичні параметри джерела струму та параметри руху електроду-інструмента. У якості електроліту для обробки конструкційних сталей рекомендовано використовувати 15% водний розчин NaNO3 з додаванням 0,6% ДС-10. За графіками (рис.4, 5) приймаються оптимальні параметри системи подачі електроліту. За значенням отриманої після ЕЕДВ ЗТВ визначаються необхідні параметри ЕХОДЕ за ф-ми (5, 6) та графіками (рис.11).

Таблиця 1. - Схема формування поверхні з вихідними характеристиками

Комбінована технологія ЕЕДВ з наступним ЕХОДЕ дозволяє керувати станом поверхневого шару вирішуючи дві задачі - отримання поверхні, стан якої відповідає вихідним характеристикам (табл. 1) та отримання поверхні із заданими характеристиками (табл. 2).

Таблиця 2 - Схема формування модифікованої поверхні

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

- видалений шарРазмещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

- загартований шар, Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

- нормалізований шар Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

- відпалений матеріал

Для обробки складнопрофільних деталей (обробки кутів) можливо застосовувати стратегії обходу кутів засновані на керуванні траєкторією руху ДЕІ, швидкістю подачі ДЕІ та параметрами джерела струму.

Висновки

В результаті проведеного в дисертаційній роботі комплексу експериментальних та теоретичних досліджень розроблена, теоретично обґрунтована та експериментально адаптована технологія комплексної обробки сталей дротяним електродом на основі поєднання електроерозійної електрохімічної технологій в одній установці. Це дало можливість суттєво розширити технологічні можливості обох методів при формуванні заданих властивостей поверхневих шарів (шорсткість, наявність та глибина ЗТВ, твердість) та в залежності від рівня технологічних вимог скоротити час обробки в 1,5-5 разів, що в сукупності становить нове вирішення актуальної науково-технічної задачі підвищення ефективності та якості електрофізичних технологій обробки металів. Найбільш істотні наукові результати і висновки дисертаційної роботи полягають у такому:

На основі аналізу основних фізико-хімічних властивостей електролітів, та результатів проведених досліджень процесу ЕХОДЕ встановлено, що для використання найбільш ефективним для обробки конструкційних сталей є електроліт на основі 15% водного розчину NaNO3 з додаванням 0,2% ПАР типу OC-20.

З використанням розробленої методики та пристроїв проведено експериментальні дослідження динаміки поляризації анода при ЕХОДЕ. Встановлено, що для електрохімічної комірки, яка реалізується при технологічній схемі ЕХОДЕ, характерна відсутність перехідних процесів при поляризації анода імпульсом робочого струму за рахунок малої площі електродних поверхонь, що взаємодіють. Це дозволило зняти обмеження ефекту «накопичення поляризації» на частотно-енергетичні параметри джерела струму. Вперше для схеми електрохімічної обробки дротяним електродом за відомих параметрів електроліту отримано рівняння, що пов'язують технологічні параметри процесу (різниця потенціалів між електродами, геометрична величина МЕП, густина технологічного струму на поверхні деталі, ступінь локалізації процесу) та кінцеві показники обробки (швидкість електрохімічного зняття, шорсткість отриманих поверхонь).

Шляхом математичного моделювання руху електроліту в напіввідкритому пазу встановлено, що рух робочої рідини в малому (0,05 - 0,4 мм) щілинному зазорі між дротяним електродом та поверхнею обробки при коаксіальній подачі зверху в залежності від технологічних умов (швидкість руху рідини в соплі, діаметр сопла, зазор між соплом та деталлю, величина щілинного зазору) може проходити в трьох формах потоку: стабільному, нестабільному та відхиленому. Якісна електрохімічна обробка може бути реалізована лише при стабільному потоці.

Експериментально доведено можливість керовано формувати структуру поверхневого шару для забезпечення необхідного стану поверхні деталі завдяки видаленню частини загартованого шару, загартованого шару та частини перехідного шару або повністю загартованого та перехідного шару. Створено комплексну методику вибору параметрів ЕЕДВ та ЕХОДЕ залежно від заданих конструкторських та технічних вимог до деталі. Запропоновано способи керування ЕХОДЕ при обробці криволінійних поверхонь: керування траекторією; керування швидкістю подачі ДЕІ; керування параметрами джерела струму; керування комбінацією попередніх способів. Це забезпечило можливість формувати технічне завдання до створення технологічного обладнання та програмного забезпечення для реалізації ЕХОДЕ.

7.Розроблена комбінована технологія електроерозійного дротяного вирізання з подальшою електрохімічною обробкою дротяним електродом впроваджена на ВАТ «Мотор-Січ», м. Запоріжжя, що підтверджено відповідним актом. Застосування комплексної технології на базі електроерозійного вирізного верстата з подальшою ЕХОДЕ дозволило в 2-5 разів скоротити тривалість обробки на чистових режимах порівняно в ЕЕДВ та на 10% -20% зменшити кількість бракованих деталей.

Література

1. Білан А.В., Осипенко В.І., Ступак Д.О., Тригуб О.А. Математичне моделювання динаміки анодної поляризації за умов електрохімічного полірування дротяним електродом. // Машинознавство. - 2008. - №8-9. - С44 - 47. Автором розроблена методика та обладнання для дослідження динаміки анодної поляризації за умов електрохімічного полірування дротяним електродом, проведені експериментальні дослідження та математична обробка отриманих результатів.

2. Білан А.В., Осипенко В.І., Ступак Д.О. Експериментальне та теоретичне дослідження ефективності згладжування мікронерівностей за умов електрохімічного полірування дротяним електродом // Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний зб. наукових праць. - Донецьк: ДонГТУ. 2008. Вип.. 36. - С10 - 15. Автором проведені експериментальні дослідження та математична обробка отриманих результатів.

3. Білан А.В., Осипенко В.І., Ступак Д.О. Особенности распределения плотности технологического тока при электрохимической обработке проволочным электродом // Вісник Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут». Серія Машинобудування. - №63. - Київ, 2011. С36-42. Автором проведені експериментальні дослідження, створено математичну модель та проведена математична обробка отриманих результатів.

4. Білан А.В., Осипенко В.І., Ступак Д.О., Тригуб О.А. Дослідження течії робочої рідини в проміжку між електродом-інструментом та заготовкою // Праці Таврійського державного агротехнологічного університету. Випуск 11 т.1. - Мелітополь: ТДАТУ, 2011. с.51_57. Автором створена математична модель в системі FlowVision, проведені розрахунки та математична обробка отриманих результатів, проведені експериментальні дослідження.

5. Білан А.В., Осипенко В.І., Ступак Д.О., Тригуб О.А. Расчет параметров распределения плотности технологического тока при электрохимической обработке проволочным електродом // Электронная обработка материалов. Кишинев, - Т.48, - №2, - 2012. - с. 16-23. Автором проведені експериментальні дослідження, створено математичну модель та проведена математична обробка отриманих результатів.

6. Патент на корисну модель №42823 UA МПК С25F3/00. Спосіб електрохімічного полірування деталей. Заявл. 06.02.2009; Опубл. 27.07.2009; Бюл. №14. Білан А.В., Осипенко В.І., Ступак Д.О., Тригуб О.А. Автором запропоновано використання дротяного електроду для електрохімічної обробки.

7. Патент на корисну модель №42824 UA МПК С25F3/00. Спосіб комбінованої електрофізикохімічної обробки металів і сплавів дротяним електродом. Заявл. 06.02.2009; Опубл. 27.07.2009; Бюл. №14. Білан А.В., Осипенко В.І., Ступак Д.О., Тригуб О.А. Автором запропоновано використання технологічних умов електроерозійного верстату для подальшої електрохімічної обробки дротяним електродом.

8. Білан А.В., Осипенко В.І., Ступак Д.О. Згладжування мікронерівностей за умов електрохімічного полірування дротяним електродом // Теорія та практика раціонального проектування, виготовлення і експлуатації машинобудівних конструкцій. 1-а Міжнародна науково-технічна конференція. Праці конференції. - Львів. 2008. С207 - 209. Автором проведені експериментальні дослідження та математична обробка отриманих результатів.

9. Плахотний О.П., Осипенко В.І., Білан А.В. Исследование процессов съема материала при электрохимической размерной обработке проволочным електродом // Вісник СевНТУ. Збірник наукових праць. Випуск 118/2011, серія Машиноприладобудування та транспорт. - Севастополь, 2011. - с.107-112. Автором проведені експериментальні дослідження та математична обробка отриманих результатів.

10. Плахотний О.П., Осипенко В.І., Білан А.В. Моделирование процессов разрушения поверхностных слоев инструментальных сталей при электрохимической обработке проволочным електродом // Материалы 51-й международной конференции «Актуальные проблемы прочности». г. Харьков, 16-18 мая 2011 г, с. 215-216. Автором проведені експериментальні дослідження та математична обробка отриманих результатів.

Размещено на Allbest.ru

...