СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
MEASURING METHOD OF SURFACE ROUGHNESS DURING ELECTROLYTIC PLASMA TREATMENT

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в машиностроении для контроля шероховатости поверхности электропроводных изделий, например, из нержавеющей стали в процессе электролитно-плазменной обработки. Способ позволяет определять шероховатость поверхности детали непосредственно в процессе ее обработки.
Известен способ измерения шероховатости поверхности электропроводящих изделий, заключающийся в том, что контролируемое изделие и измерительный электрод помещают в диэлектрическую жидкость, прикладывают высоковольтное напряжение и измеряют ток между ними, по величине которого определяют степень шероховатости [а.с. СССР №1474452, МКИ4 G01B 7/34. Публ. 23.04.89].
Недостатком аналога является невозможность использования его для определения шероховатости поверхности в ходе электролитно-плазменной обработки в связи с необходимостью прерывания процесса.
Известен способ измерения шероховатости поверхности электропроводящих деталей в процессе электролитно-плазменной обработки, заключающийся в том, что прикладывают высоковольтное напряжение между обрабатываемой деталью, являющейся анодом, и катодом. Измеряют ширину нормированного частотного спектра переменной составляющей тока разрядов по уровню среза, выбираемою из диапазона 0,2…0,5 в зависимости от рабочего напряжения. Определяют шероховатость по формуле
a
0
R=k·f+R,
a
0
0
где R - шероховатость поверхности, мкм; k - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала детали, природы и концентрации электролита; f - измеренная ширина спектра при определенном уровне среза, Гц; R - эмпирический параметр. При этом значения к и R вычисляют по тарировочной кривой зависимости шероховатости от ширины спектра [патент РФ №2133943, МКИ6 G01B 7/34. Публ. 27.07.99].
Недостатком данного аналога является необходимость измерения спектральной плотности сигнала переменной составляющей тока в ряде диапазонов частот для построения частотного спектра, определения его ширины и, соответственно, шероховатости поверхности.
0
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения шероховатости поверхности электропроводящих изделий в процессе электролитно-плазменной обработки, заключающийся в том, что прикладывают высоковольтное напряжение между обрабатываемой деталью, являющейся анодом, и катодом и переменную составляющую тока подают на полосовой фильтр с граничными частотами 500-700 и 1300-1500 Гц, измеряют действующее значение напряжения на выходе фильтра u, рассчитывают начальное значение напряжения u путем усреднения значения и в течение 20-40 с от начала процесса, шероховатость в ходе обработки определяют но формуле
где u - текущее значение напряжения на выходе полосового фильтра;
0
u - начальное значение напряжения на выходе полосового фильтра;
0
Ra - начальное значение шероховатости обрабатываемой поверхности [патент РФ №2240500, МКИ6 G01B 7/34. Публ. 20.11.04].
Недостатком прототипа является недостаточное быстродействие, обусловленное тем, что первое измеренное значение шероховатости может быть получено только через существенный промежуток времени 20-40 с от начала электролитно-плазменной обработки, тогда как скорость изменения шероховатости на начальном этапе обработки имеет наибольшее значение, а вся длительность процесса в ряде случаев может составлять 30-60 с.
Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение быстродействия измерения шероховатости поверхности в ходе электролитно-плазменной обработки за счет исключения операции усреднения регистрируемых электрических параметров в течение 20-40 с от начала процесса.
Поставленная задача решается способом измерения шероховатости поверхности электропроводящих изделий в процессе электролитно-плазменной обработки, по которому прикладывают высоковольтное напряжение между обрабатываемой деталью, являющейся анодом, и катодом, согласно изобретению измеряют значения плотности тока и высоковольтного напряжения, а шероховатость в ходе обработки определяют по формуле:
min
где R - минимально достижимая для используемого электролита шероховатость поверхности;
0
R - начальное значение шероховатости поверхности обрабатываемой детали;
t - время;
j - плотность тока;
U - напряжение;
0
τ - среднее значение постоянной времени;
1
2
k, k - коэффициенты пропорциональности, зависящие от материала детали, природы и концентрации электролита,
0
1
2
а величины τ, k, k вычисляют по семейству тарировочных кривых зависимости постоянной времени снижения шероховатости от напряжения U и плотности тока j.
a
0
min
Существо способа поясняется чертежами. На Фиг.1 показан типичный характер изменения шероховатости R во времени t при начальной шероховатости R и минимально достижимой для используемого электролита шероховатости поверхности R. На Фиг.2 показана типичная тарировочная кривая зависимости постоянной времени τ от высоковольтного напряжения U и плотности тока j.
a
Закономерность изменения шероховатости R (Фиг.1) имеет экспоненциальный характер и объясняется уменьшением степени воздействия парогазовой оболочки на обрабатываемую поверхность при сглаживании микронеровностей, что приводит к снижению скорости изменения шероховатости. Скорость снижения шероховатости по экспоненциальному закону характеризуется постоянной времени τ, на которую влияет прикладываемое высоковольтное напряжение U и характер воздействия парогазовой оболочки, который отражается в значениях плотности тока j.
Тарировочная кривая зависимости постоянной времени τ (Фиг.2) может быть описана функцией вида:
где t - время;
j - плотность тока;
U - напряжение;
0
τ - среднее значение постоянной времени.
Изменение напряжения U, связанное с нестабильностью напряжения питающей сети, и изменение плотности тока j, связанное с изменением шероховатости, с нестабильностью температуры электролита и его концентрации, а также с выработкой электролита, влияют на скорость электролитно-плазменной обработки при полировании поверхностей. Уравнение (2) учитывает указанные неопределенности и позволяет измерять шероховатость поверхности электропроводных изделий, например, из нержавеющей стали в процессе электролитно-плазменной обработки.
Пример конкретной реализации способа.
Образцы из стали 20X13 обрабатывали электролитно-плазменным методом в 5% растворе сульфата аммония при различных начальных шероховатостях поверхности, напряжениях и температурах электролита. Между поверхностью детали, являющейся анодом, и катодом прикладывали высоковольтное напряжение, измеряли плотность тока j и высоковольтное напряжение U, а шероховатость в ходе обработки определяли по формуле:
,
min
где R=0,09 мкм,
при этом величины
0
τ=0,072 мин;
1
2
-1
k=-5,296 мин·см·A;
2
-1
k=0,0165 мин·B
вычисляли по семейству тарировочных кривых зависимости постоянной времени снижения шероховатости от напряжения U и плотности тока j, показанному на Фиг.2. Шероховатость поверхности измерялась также профилометром после обработки. Результаты приведены в таблице. Как видно из таблицы, незначительное расхождение рассчитанной (6-й столбец таблицы) и измеренной (7-й столбец таблицы) шероховатости свидетельствует о применимости способа.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет увеличить быстродействие измерения шероховатости поверхности в процессе электролитно-плазменной обработки за счет исключения операции усреднения регистрируемых электрических параметров в течение 20-40 с от начала процесса. Предлагаемый способ имеет простое техническое исполнение, не требует прерывания процесса и обеспечивает высокую точность измерений.
Способ измерения шероховатости в процессе электролитно-плазменной обработки
U, B
T, °C
Время t, мин
Начальное значение шероховатости R<i>a</i><sub>0</sub>, мкм
Плотность тока j, А/см<sup>2</sup>
Рассчитанная шероховатость R<i>a</i>, мкм
Измеренная шероховатость R<i>a</i>, мкм
1
2
3
4
5
6
7
250
70
3
0,32
0,39
0,18±0,02
0,15±0,02
300
80
6
0,33
0,27
0,16±0,02
0,13±0,02
350
90
9
0,35
0,19
0,15±0,02
0,16±0,02
250
70
12
0,60
0,36
0,11±0,02
(),12±0,02
300
80
15
0,49
0,24
0,11±0,02
0,14±0,02
350
90
15
0,49
0,20
0,12±0,02
0,15±0,02