Формирование поверхностного слоя при гидроабразивном разделении металлов с наложением электрического поля

УДК 621.9.047

ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ГИДРОАБРАЗИВНОМ РАЗДЕЛЕНИИ МЕТАЛЛОВ С НАЛОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В.П. Смоленцев, Е.В. Гончаров

Представлены экспериментальные исследования принципа образования и качества поверхности при гидроабразивном и комбинированном способе разделения

Ключевые слова: гидроабразивное разделение, комбинированная обработка, поверхность разделения, анодное растворение

Для поддержания конкурентоспособности предприятиям в условиях современного производства требуется постоянно повышать производительность и качество выпускаемых изделий. Для снижения цикла производства все большее количество поверхностей окончательно обрабатываются еще на заготовительном производстве. Большое значение здесь играет раскрой материала. Наибольший спрос имеют технологии, обеспечивающие обработку большой номенклатуры изделий, высокую производительность, быструю переналадку, высокое качество обработанной поверхности и экономичность. Одним из методов, обеспечивающий требованиям современного производства является раскрой материала сверхзвуковой гидроабразивной струей. Однако данный метод имеет существенные недостатки: при обработке вязких металлов возникает явление шаржирования, быстрое засаливание используемого абразива, невысокое качество обработанной поверхности. Одним из решений для исключения данных недостатков может служить наложение в зону разделения концентрированного электрического поля.

Поверхность, образованная комбинированным методом разделения, не однородна и зависит от множества факторов. Для объяснения принципа разделения рассмотрим стадии образования разделенной поверхности.

При рассмотрении взаимодействия обрабатываемого материала и сверхзвукового потока абразивных зерен замечено, что в результате столкновении абразивных частиц происходит формирование поверхностного слоя обрабатываемого материала, обусловленное воздействием нескольких факторов: пластическое деформирование, микрорезание и хрупкое разрушение. Можно выделить три зоны (рис. 1), в кото-

Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, е-шай: smol@comch.ru, тел. 89036559970 Гончаров Евгений Владимирович - ВГТУ, соискатель, е-шай: gonevg@yandex.ru, тел. 89056557621

рых происходит изменение параметров поверхностного в процессе разделения материалов.

/

Рис. 1. Зоны воздействия сверхзвукового потока абразивных зерен на обрабатываемый материал

В первой зоне преобладает ударное воздействие абразива о материал. При соударении абразива с обрабатываемым металлом образуется глубокий кратер, соответствующий форме частицы абразива, что связано с малой его упругой деформацией (рис. 2). Также при соударении образуются осколки абразивной частицы, которые разлетаются и так же образуют кратеры на поверхности обрабатываемого материала на расстоянии от первого соударения. Данные кратеры нежелательны, т.к. образуют дефектную поверхность на детали (рис.

3). Эта дефектная поверхность располагается на входе в разделяемый материал гидроабразивной струи по периметру контура разделения. Толщина ее при чистовой обработке составляет 0,05-0,5 мм, а при черновой 0,5-1,2 мм.

Рис. 2. Кратеры, образованный при соударении абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью.

Рис. 3. Дефектная поверхность вдоль контура разделения со стороны входа гидроабразивной струи.

Вторая зона характеризуется взаимодействием потока абразива и обрабатываемого материала под малым углом, что способствует съему материала микрорезанием. Процесс сопровождается однократным погружением абразивных зерен в обрабатываемый материал, снятием части материала и сколом части абразивного зерна по переферии. Именно в этой зоне происходит разделение со снятием слоя материала. В результате образуются борозды (рис.

4), глубина которых определяет шероховатость разделенной поверхности.

А , .щ ^ ^ 'г *+• _ " ж *

г ^ , Ф . , • 4, X ** ¡і "Щ »• -  " - "

Рис. 4. Борозды на обработанной поверхности

Получаемая шероховатость имеет гребенчатую структуру и дефектный измененный слой. Исследование поверхностного слоя по разделению алюминиевых листов толщиной 12 мм, проведенные на установке для гидроабразивной резки модели РТУ Ж/3020Е 12-Б 37 с давлением рабочей среды 415МПа, показали, что относительный наклеп поверхностного слоя на входе гидроабразивной струи в разделяемый материал составляет 132%, а на выходе 139%. Глубина залегания наклепа составляет до

0,12 мм. Изменение степени относительного наклепа обусловлено повышением ударного воздействия гидроабразивных частиц на обрабатываемый металл, что характеризуется наклоном разделяемой поверхности и расширением гидроабразивной струи вдоль ее истечения. Малая степень относительного наклепа и небольшая глубина его залегания объясняется малой силой резания, которая составляет до 100

Н. Структурное изменение и газонасыщение поверхностных зон отсутствует, что обусловлено низкой температурой в зоне резания (60^90°С). Повышение температуры в зоне резания не происходит из-за уноса выделяемого тепла потоком рабочей среды, сопровождающей процесс разделения. На поверхности разделения наблюдаются застрявшие частицы абразива (рис. 5) ухудшающие эксплуатационные характеристики изделия.

Рис. 5. Абразив, застрявший в обрабатываемом материале.

Характеристика обработки микрорезанием во второй зоне определяет производительность процесса разделения гидроабразивной составляющей комбинированного метода. Объем материала, снимаемого одним зерном, можно вычислить из зависимости [1]:

d20 ^ V = — f

Л J

П

180

-arcsin

2yJ d  h( x) - h( x)2 d

2^ d  h( x) - h( x)2 d

1 -

2^Jd  h(x) - h(x)2 d

dx

где V - объем снимаемого материала одним зерном; d - диаметр зерна; Ь - длина царапины; Цх) - глубина врезания абразивного зерна в обрабатываемый материал в каждой точке (х) на длине царапины.

Исследования абразивных частиц (гранатовый концентрат ОМА 80) после разделению алюминиевых листов толщиной 12 мм. на режимах, приведенных выше, показали, что объемом снимаемого алюминия одним зерном достигает 5,6^6,4*10"5 мм3.

Третья зона характеризуется пластической деформацией обрабатываемого материала. Процесс образует заусенцы вдоль контура разделения со стороны выхода гидроабразивной струи (рис. 6). Пластический эффект приводит к необходимости дополнительной обработке для удаления нежелательного дефекта. Заусенцы приводят к невозможности сборки конструкции в случае их расположения на контактирующих поверхностях деталей, повышают травмоопасность для человека, оторвавшиеся части заусенца могут привести к повышенному износу сопрягаемых деталей конструкции и вывести ее из строя. Размер заусенцев для чистового разделения составляет 0,03-0,4 мм., для чернового 0,4-0,8 мм.

Рис. 6. Поверхность разделенного контура со стороны выхода гидроабразивной струи.

Далее рассмотрена электрохимическая составляющая комбинированного метода [2]. При анодном удалении припуска происходит снятие дефектной части поверхности на входе гидроабразивной струи (зона 1) с образованием закругления малого радиуса, увеличивается чистота разделенной поверхности с уменьше-

нием гребенчатости шероховатости (зона 2), что увеличивает стойкость к агрессивной среде и усталостным разрушениям. Удаляется измененный слой, содержащий застрявший абразив, и заусенцы. Вычислить величину припуска, подлежащего удалению электрохимической составляющей комбинированного метода можно учитывая глубину погружения абразивных частиц в разделяемый материал. Из теории шлифования известно, что при погружении абразива не более 1/3 своего максимального размера в материал, он легко удаляется. Соответственно учитывая [3] можно вычислить минимальное время анодной составляющей комбинированного метода для гарантированного удаления абразивных вкраплений по следующей формуле:

Л  d шах 1 . ч

(---------— —  $ )  V

100 3 шах / / заг

Т =

а - П  КМ  U

где И - процент погруженной части объема абразивных частиц в разделяемый материал; dmax - наибольший диаметр абразива, применяемого при гидроабразивном разделении; узаг - плотность разделяемого материала; а - электрохимический эквивалент; Г) - выход по току; КМ -коэффициент связи срединной ошибки со среднеквадратическим отклонением; и - напряжение на электродах; в - концентрация гранул; рэл, р - удельные электропроводности рабочей жидкости и материала гранул.

Так же происходит удаление заусенцев на выходе гидроабразивной струи (зона 3) с образованием закругления малого радиуса.

Замечено, что при отдалении обрабатываемой поверхности от сопла, скорость съема металла уменьшается, но это не приводит к значительному изменению геометрии формы разреза и может учитывается только при прецизионном разделении. Сравнение результатов металлографических исследований гидроабразивного и комбинированного разделения представлены на рисунке 7.

Экспериментальные исследования по электрохимической составляющей комбинированного метода проводились при напряжении 200 В., приложенных к рабочей среде, состоящей из токопроводящих гранул из Ст3 в промышленной воде. Время обработки 5 секунд. Шероховатость поверхностного слоя Ка=1,2-1,8 мкм. (в базовом варианте Яа=6,8-8,1 мкм), на разделенной поверхности отсутст-

X

X

вуют абразивные вкрапления, относительный наклеп поверхностного слоя на входе гидроабразивной струи в разделяемый материал составляет 112%, а на выходе 114%, глубина залегания измененного слоя 0,07 мм.

б

Рис. 7. Фотографии микрошлифов а - гидроабразивное разделение; б - комбинированное разделение

Вывод: комбинированный метод разделе -ния металлов позволяет значительно повысить качество обработанной поверхности по сравнению с гидроабразивным разделением.

Литература

1. Барсуков Г.В, Михеев А.В. Определение производительности гидроабразивного резания с учетом характеристик абразивного зерна //Справочник. Инженерный журнал.- 2008 г. - №1.. С. 9-14.

2. Электрофизические и электрохимические методы обработки: В 2-х т. Т1/ Под ред. В.П. Смо-ленцева. - М.: Высш. шк., 1983. 247 с.

3. Кузовкин А.В., Смоленцев В.П. Размерное формообразование сложнопрофильных деталей с применением твердого токопроводящего наполнителя. - Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2000. - 176с.

Воронежский государственный технический университет

FORMATION OF THE SUPERFICIAL LAYER AT HYDROABRASIVE DIVISION OF METALS WITH IMPOSING THE ELECTRIC FIELD.

V.P. Smolenzev, E.V. Goncharov

Experimental researches of a principle of formation and quality of a surface are presented at the hydroabrasive and combined way of division

Key words: the hydroabrasive division, the combined processing, a surface of division, anode dissolution