Экспериментальные исследования режимов получения шероховатых металлических поверхностей в вакуумном дуговом разряде

Экспериментальные исследования режимов получения шероховатых металлических поверхностей в вакуумном дуговом разряде

В.Н. Аникеев, М.Ю. Докукин Введение

В современной науке и технике существует потребность в создании шероховатых поверхностей металлических изделий. Это необходимо, например, для улучшения адгезионных свойств различных покрытий, снижения износа трущихся деталей из-за лучшего удержания смазки, повышения коэффициента теплоотдачи от поверхности при оптимальной ее шероховатости и в ряде других случаев [1 - 11]. Ранее нами было показано, что регулируемую шероховатость на металлических поверхностях можно получать методом подвижных катодных пятен (МПКП) [12].

В работах, посвященных изучению электродных процессов в вакуумных дуговых электрических разрядах (см., например, фундаментальные обзоры в сборнике [13], отмечается образование шероховатых поверхностей электродов в результате электротермического воздействия катодных (или анодных) перемещающихся пятен. Однако, в этих и многочисленных последующих работах, посвященных изучению вакуумных дуг, не проводились исследования характеристик получаемой шероховатости и возможности управления ее параметрами. В ряде работ [14, 15] предлагаются теоретические методы прогнозирования получаемой шероховатости.

Новизна данной работы состоит в том, что в ней впервые проведено экспериментальное исследование режимов вакуумной дуги именно для получения нужной (задаваемой) шероховатости поверхностей изделий. Так как катодные пятна, в отличие от анодных, дополнительно очищают поверхность от различных загрязнений [11], то в работе исследовались режимы, когда образцы (изделия) являлись катодами в разрядах.

Описание экспериментальной установки и результатов исследований

Экспериментальное исследование получения шероховатости на металлических поверхностях проводилось на установке, схема которой представлена на рис. 1. Установка состоит из вакуумной камеры 1, в которой размещаются обрабатываемый образец (катод) 2, коаксиальный анод 3 и устройство инициирования разряда 4. С помощью системы откачки 5, в которую входят вакуумные ротационные насосы, камера предварительно откачивается до давления 10 мм рт. ст. и в ней поддерживается необходимое рабочее давление.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 -вакуумная камера, 2 - образец (катод), 3 - анод,

4 - устройство инициирования дуги, 5 - система откачки, 6 - осциллограф, ВТ - термопарный датчик, О - выпрямитель, Ь - индуктивность,

Яшт - шунт.

В ряде исследуемых режимов организовывалась дополнительная микроподача аргона в камеру. Давление в камере контролировалось вакуумметром ВИТ-2П с термопарным датчиком ВТ. Электропитание дугового разряда осуществлялось от выпрямителя О тиристорного типа ПИРС-500 с последовательно включенной в цепь индуктивностью Ь « 10 мГн, которая обеспечивала необходимую в ряде случаев стабилизацию дуги.

Инициирование разряда осуществлялось методом касания катода дополнительным подвижным электродом 4. Контроль тока I и напряжения и разряда проводился стрелочными приборами; дополнительно с целью изучения временных характеристик разряда осуществлялась регистрация осциллограмм тока и напряжения на запоминающем осциллографе С8-17 (6).

б)

Рис. 2. Минимальная шероховатость

поверхности, полученная электродуго-вым вакуумным методом: а - увеличение х 8, б - увеличение х 56.

Образцы для исследования изготавливались из титанового сплава ВТ-5

и имели рабочие поверхности двух видов: цилиндрическую поверхность с диаметром 11 мм и длиной 15 мм и коническую поверхность с диаметром

основания 12 мм и высотой 15 мм. Качество рабочих поверхностей обеспечивалось не хуже Яа 2,5.

Рис. 3. Максимальная шероховатость

поверхности, полученная электродуго-вым вакуумным методом: а - увеличение х 8, б - увеличение х 56.

Как показали эксперименты, получаемая шероховатость зависела от

режима горения разряда на обрабатываемой поверхности, который определялся давлением в камере р, током I и напряжением и разряда и временем обработки т.

На рис. 2 и рис. 3 представлены фотографии конических титановых образцов с характерными результатами обработки их поверхностей.

Минимальная шероховатость (Яа < 10 мкм) была получена в режиме: р = (1,5.3,0)10-2 мм рт. ст., I = 7...9 А, и = 21...23 В, т « 20 с (6 импульсов длительностью по 2.4 с). Максимальная шероховатость (Яа > 10 мкм) была

3 2

достигнута в режиме:р = 910 ...310’ мм рт. ст., I = 20.25 А, и = 20.21 В, т = 75 с.

На рис. 4 представлены результаты замеров шероховатости по стандартной методике определения показателя Яа, полученные на приборе «Профилометр 296» (диапазон измерений 0,02.10 мкм, цена деления шкалы

0,004 мкм, класс точности 2) для конического и цилиндрического образцов.

Рис. 4. Профилограммы образцов: А -цилиндрический образец;  -

конический образец.

Ниже представлены характерные осциллограммы тока и напряжения разряда для режимов с малой (рис. 5) и большой (рис. 6) шероховатостью.

Рис. 5. Осциллограммы тока (а) и напряжения (б) разряда для режима малой шероховатости; ^ = 40 А/дел., ^и = 50 В/дел., ^т = 200 мс/дел.

Рис. 6. Осциллограммы тока (а) и напряжения (б) разряда для режима большой шероховатости; ^ = 40 А/дел., ^и = 50 В/дел., ^т = 500 мс/дел.

Выводы

1) Экспериментально исследованы возможности предложенного метода получения регулируемой шероховатости на металлических поверхностях электротермическим воздействием подвижных катодных пятен

в вакуумном дуговом разряде. Представлены результаты обработки различных по форме поверхностей с помощью данного метода.

2) Предложены рабочие режимы обработки металлических поверхностей с целью получения как минимальной, так и максимальной шероховатости.

Литература:

1. Гаркунов Д.Н. Триботехника [Текст]: учебное пособие / Д.Н. Гаркунов, Э.Л. Мельников, В.С. Гаврилюк. - М.: КНОРУС, 2012. - 408 с.

2. Гаркунов Д.Н. Триботехника. Краткий курс [Текст]: Монография / Д.Н. Гаркунов, Э.Л. Мельников, В.С. Гаврилюк. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 308 с.

3. Гаркунов Д.Н. Научные открытия в триботехнике. Эффект

безысносности. Водородное изнашивание металлов [Текст]: Монография / Д.Н. Гаркунов. - М.: Изд-во МСХА, 2004. - 384 с.

4. Костецкий Б.И. Трение, износ и смазка в машинах [Текст]: Монография / Б.И. Костецкий. - Киев: Техника, 1979. - 396 с.

5. Поляков А.А. Трение на основе самоорганизации [Текст]: Монография / А.А. Поляков, Ф.И. Рузанов. - М.: Наука, 1992. - 135 с.

6. Щербаков И.Н. Обоснование процесса получения композиционных

антифрикционных самосмазывающихся материалов с заданными

техническими характеристиками методом химического

наноконструирования [Электронный ресурс] / И.Н. Щербаков, Ф.П. Дерлугян // Инженерный вестник Дона. - 2010. №4. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/287 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

7. Щербаков И.Н. О системном подходе к разработке композиционных

антифрикционных покрытий [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона. 2013. №1. - Режим доступа: http://

http://ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1567 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

8. Фоменко Л.А. Теплообмен при нагреве поверхности с искусственной субмиллиметровой шероховатостью [Текст] // Л.А. Фоменко, Л.Г. Ловцова. - Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2010. - № 2. - С. 109-112.

9. Роговой Ю.А. Исследование влияния шероховатости наружной поверхности подводных объектов на их гидродинамические характеристики [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 05.08.01 / Юрий Алексеевич Роговой. - СПб., 2005. - 136 с.

10. Вильямс Д.Ф. Имплантаты в хирургии [Текст]: Монография / Д.Ф. Вильямс, Р. Роуф. - М.: Медицина, 1978. - 552 с.

11. Букаев М.Ф. Дентальная имплантология [Текст]: Монография / М.Ф. Букаев, А.О. Суров, О.Н. Суров. - Алматы: Раритет, 2004. - 104 с.

12. Аникеев В.Н., Докукин М.Ю. Получение регулируемой шероховатости металлических поверхностей в вакуумном дуговом разряде [Электронный ресурс] // Инженерный вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 2. - Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/doc/531539.html (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

13. Кобайн Дж. Вакуумные дуги [Текст]: Пер. с англ. / Под ред. Дж. Лафферти / Дж. Кобайн, Г. Эккер, Дж. Фаррелл и др. - М.: Мир, 1982. -

432 с.

14. Benardos P.G. Predicting surface roughness in machining: a review [Text] // P.G. Benardos, G.-C. Vosniacos. - International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2003. - V. 43, Iss. 8. - P. 833-844.

15. Hecker R.L. Predictive modeling of surface roughness in grinding [Text] // R.L. Hecker, S.Y. Liang. - International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2003. - V. 43, Iss. 8. - P. 755-761.