Получение требуемой микроповерхности при электрохимической размерной и комбинированной обработке

УДК 621.9.047

Машиностроение и машиноведение

ПОЛУЧЕНИЕ ТРЕБУЕМОЙ МИКРОПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РАЗМЕРНОЙ И КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКЕ

В.П. Смоленцев, В.В. Золотарев, И.Т. Коптев

Рассмотрен механизм формообразования поверхностного слоя сплавов при бесконтактной электрохимической обработке. Показано, что высота неровностей деталей зависит от режимов обработки, размеров структурных составляющих сплава. Неровности и микроуглубления имеют одну и ту же природу возникновения, их размеры связаны соотношением, постоянным для каждого материала. Приведены рекомендации по выбору средств измерений неровностей, глубины микроуглублений без проведения металлографических исследований. Это позволяет обосновать выбор припусков на финишные операции и обосновать возможность использования различных технологических приемов для получения деталей с высокой сопротивляемостью циклическим нагружениям. Рассмотрены комбинированные методы обработки, их возможности по формированию поверхностей с требуемым качеством и методы расчета режимов обработки

Ключевые слова: формирование микроповерхности, оценка качества, пути повышения качества деталей

Введение

В литературе не имеется убедительных сведений о механизме формирования профиля микроповерхности металлических материалов после электрохимической и комбинированной обработки, что ограничивает применение перспективных технологий в машиностроении. Без такой информации сложно использовать перспективные процессы, особенно для изготовления наукоемких высоконагруженных изделий, где они решают задачи по изготовлению техники новых поколений летательных аппаратов.

Механизм формирования микропрофиля

При электрохимической размерной обработке (ЭХО) отсутствует механический контакт между электродом-инструментом и заготовкой. Поэтому микропогрешности рабочей поверхности инструмента не копируются на заготовке.

На рис. 1 приведена схема формообразования контура на аноде (детали). На катоде 1 имеется выступ "А", высота которого соизмерима с размерами межэлектродного зазора И2. Если высота выступа "А" на 1-2 порядка меньше зазора, то углубления на детали практически не будет. При высоте неровности "А" более 0,1 зазора она с инструмента копируется на деталь,

Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: vsvolen@index.ru, тел. 89036559970 Золотарев Владимир Викторович - ВГТУ, аспирант, e-mail: vsvolen@index. ru

Коптев Иван Тихонович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: vsvolen@index. ru

причем тем точнее, чем меньше соотношение

размера "А" и зазора.

Подача

электролит

/ // / / У У// //////// /// / Л/-,

//////////// /////7 ©

Рис. 1. Влияние геометрии инструмента на профиль детали: 1-катод; 2-профиль заготовки; 3-профиль детали; ^-начальный межэлектродный зазор; ^ - конечный межэлектродный зазор

Такие выступы на детали, независимо от размеров, относятся к макронеровностям. Они формируются при соотношении

^^ > 0,1.

И

Для межэлектродных зазоров, обычно используемых на станках (0,15-0,3 мм), шероховатость рабочего профиля инструмента в 5-10 раз ниже граничного значения и не может копироваться на детали. Из условий безвихревого движения потока электролита шероховатость инструмента должна быть не выше 1-2 мкм. Эксперименты и моделирование формирования поверхностей после ЭХО показали, что уже в самом начале процесса практически полностью удаляются регулярные выступы предшествующей обработки и образуются неровности, которые в дальнейшем сохраняются независимо от снимаемого припуска.

Известно также, что

микрорастравливания на границах зерен

наблюдаются только на материалах с крупнозернистой структурой. На

формирование микрорастравливаний

оказывают влияние свойства анодных пленок, которые могут создавать нетокопроводящие зоны на границах зерен, и тогда микроуглубления формируются в форме

питтингов на поверхности зерна. Подобная картина наблюдалась учеными Тульского политехнического института на титановых сплавах при режимах обработки, не обеспечивающих удаление анодной пленки с поверхности электролизера.

///////////

а)

Рис. 2. Механизм формирования микроповерхностей

б)

В общем случае, (рис. 2, а) неровности на инструменте 1 ниже их граничного значения из условия обеспечения гидродинамики и поверхность катода можно считать плоской. После удаления определенного припуска с заготовки 2 ее поверхность может быть представлена, как показано на рис. 2, а, где индексом "3" обозначено зерно (соответственно З1; 32 и т.д.).

Из материаловедения известно, что электропроводность зерна на несколько

Б

порядков выше, чем связки. Если представить микроструктуру обрабатываемой поверхности в форме прямоугольника, приближенно повторяющих зерно и связку, то (рис. 2, б) удельное сопротивление " р " на зернах (31; 32 и т.д.) будет существенно ниже, чем на связках (С1; С2 ит.д.). На границе зерна и связки силовые линии поля конденсируются, и возникает зона повышенной напряженности.

3

3

а) б)

Рис. 3. К выбору методов оценки качества поверхностного слоя

На рис. 3 показано формирование микроуглублений и обоснование

возможностей эффективного измерения шероховатости и глубины измененного слоя (Т) после ЭХО.

Связка (С) в силу большого сопротивления, растворяется медленно, а на границе зерна (З) и связки идет интенсивный

съем материала с зерна (рис. 3, а). Видимо, в начальный момент формообразования микроуглубления, когда связка практически не растворилась со стороны "Б", на обрабатываемой поверхности имеются выступы (последнее наблюдалась учеными АН МССР на микрошлифах при значительных размерах связки). Для большинства сплавов

ширина связки (С) на несколько порядков меньше чем зерна (З). Поэтому по мере съема материала с границ зерна открывается доступ к боковым поверхностям связки, которые начинают растворяться. Из-за малой толщины связки (обычно в пределах нескольких микрон) ее растворение происходит достаточно быстро, а остаток связки удаляется напором электролита. В силу сказанного, после ЭХО практически не наблюдаются выступы связки на поверхности. Образующиеся углубления характеризуют шероховатость и глубину удаленного слоя. Скругленная форма боковых поверхностей углублений, образующихся на границе зерна и связки, ограничивает возможности

применения измерительных средств для контроля шероховатости. В частности, нельзя обеспечить достоверности контроля после ЭХО при использовании эталонов, особенно, если они выполнялись лезвийными или абразивным инструментом. До 2-5 раз может дать ошибку использование

интерферационных методов и способов измерения световым лучом. Наиболее точную картину дает контактный метод измерения с помощью иглы (профилометры,

профилографы). Игла, проникая в углубление на границе зерна и связки (рис. 3, б), характеризует высоту неровностей. Если рассмотреть углубление на поперечном шлифе, то выяснится, что игла, как правило, не достигает донной части углубления. Поэтому замеренное значение неровностей будет зависеть от радиуса скругления вершины иглы (обычно до 15-20 мкм), а расстояние до днища впадины определяет глубину

микрорастравливаний. Для одних и тех же материалов деталей соотношение высоты неровностей (д2) и глубины

микрорастравливаний (т) после ЭХО на рабочих режимах сохраняется практически постоянным [ ^ и сот\. Так для жаропрочных

I )

сплавов это соотношение составляет 1,5-1,6 (прибор 203 завода «Калибр»). Разработаны таблицы [1], характеризующие соотношение " Кх" между шероховатостью и глубиной микроуглублений для различных сплавов. Положение зерен в сплаве относительно измерительной иглы носит случайный характер, поэтому результаты замеров имеют значительный разброс, учитываемый коэффициентом К 2. Для сплавов

аустенитного класса с крупным зерном К 2 = 1,1; титановых материалов К 2 =1,2-1,25; алюминиевых сплавов К 2 =1,1-1,2. В мелкозернистых сталях сорбитной группы зерна растворяются практически целиком и под ними остаются углубления с пологим дном. Точность применяемых измерительных средств не позволяет выявить разницу между высотой неровностей и глубиной растравливаний, поэтому считают, что такие сплавы не имеют микрорастравливаний (К1 и 1 ; К2 и 1). Коэффициент пропорциональности К между высотой неровностей и глубиной микрорастравливаний оценивается через К1, К2. (К = К1 - К 2). Замер шероховатости не представляет сложности, а с помощью коэффициента К удается, не прибегая к трудоемким исследованиям, установить глубину измененного слоя и назначать припуски Z на финишные операции Т = КЯа; Z > Т.

Однако финишные операции целесообразно совмещать с

формообразующими, поэтому следует разработать технологический процесс, позволяющий устранить появление

дефектного слоя. Из физики процесса ЭХО известно, что с ростом тока на аноде глубина микрорастравливаний снижается. Достичь такого режима можно за счет уменьшения зазоров, увеличения напряжения, повышения электропроводности и других свойств среды, использованием импульсного тока. Уменьшать зазор и увеличивать напряжение можно только до определенного предела, после того процесс становится нестабильным. Для снижения глубины микрорастравливаний целесообразно применять импульсный ток с крутым падением его величины в импульсе. Проведенные в Тульском политехническом институте исследования таких режимов показали возможность снижения глубины микроуглублений до 2 раз. Еще больший выигрыш в повышении качества поверхности дает импульсно-циклический метод, позволяющий реализовать высокий ток в импульсе и протекание процесса при малых межэлектродных зазорах. Исследования, выполненные в Новочеркасском

политехническом институте, показали, что избежать микрорастравливаний можно, вводя в электролит различные добавки, в том числе поверхностно-активные вещества. Механизм

их воздействия можно объяснить

концентрацией среды на границах зерен и равномерным распределением напряженности полей, обеспечивающих одинаковый съем со структурных составляющих материалов. Доказательством этой гипотезе служит заметное снижение неровностей на поверхности после обработки в электролитах с поверхностно-активными веществами.

Влияние микронеровностей на

выносливость сплавов Исследования, выполненные А.М. Сулимой [2], показали определяющее влияние на характеристики выносливости сплавов шероховатости поверхности. Применительно к ЭХО, где имеются концентраторы напряжений в форме микрорастравливаний, неровности приходится рассматривать как часть микроуглублений и, предложенные в работах А.М. Сулимы формальные зависимости для расчета пределов прочности материалов при многоцикловых нагружениях, становятся справедливыми только для сплавов с мелким зерном. Для жаропрочных и титановых сплавов необходимо учитывать местную концентрацию напряжений за счет микроуглублений, имеющихся в донной части

Уровень выносливости относительно механо

углублений, где формируются малые радиусы скругления (в пределах нескольких микрон).

Высоконагруженные детали после ЭХО полируют, удаляя при этом 0,01-0,05 мм материала. Усталостные испытания, выполненные на машинах МУИ-6000, показали, что после удаления слоя, соизмеримого с глубиной

микрорастравливаний, для всех сплавов предел прочности полностью

восстанавливается, а за счет наклепа поверхности при полировании этот показатель может даже превысить исходное значение. Величина припуска под операцию зависит от шероховатости (и связанным с ним микрорастравливанием), поэтому для сплавов с мелкозернистой структурой минимальный припуск не превышает 10мкм, а для титанового сплава ВТ8 с глубиной растравливаний до 30 мкм съем должен быть около 40 мкм. Дальнейшее удаление припуска не дает повышения прочности.

Механическое полирование

достаточно трудоемкая и, как правило, ручная операция, поэтому ее пытаются заменить электрохимической полировкой, виброударной обработкой,галтовкой.

Ж.

пя

цт

tfi

9

h—

Ё Х- со Е О Г--

л т лп

X <

(03

--вЯг---

А Б В Г

Рис. 4. Сравнительные показатели выносливости сплавов при различных методах чистовой обработки: А - после ЭХО; Б - после ЭХО с последующим виброударным упрочнением; В - после комбинированной обработки с

последующим удалением части припуска электродом-щеткой; Г - после ЭХО, упрочнения и электрохимической полировки. Пунктиром нанесены показатели механической обработки

Приведенные на рис. 4 показатели дают основания рекомендовать в качестве последующей за ЭХО (рис. 4, а) операцией упрочняющую технологию (рис 4, б), откуда видно, что после виброударной обработки все сплавы имеют повышенную усталостную прочность, превышающую такой показатель, полученный после испытаний стандартных образцов после механической обработки. При этом шероховатость большинства сплавов не

снижается (для сталей с мелкозернистой структурой может наблюдаться

незначительное повышение высоты неровностей по сравнению с состоянием поверхности после ЭХО без упрочнения), а степень наклепа достигает уровня, близкого к получаемому после механической обработки. Исключения составляют титановые сплавы, для которых поверхностный наклеп не всегда достаточен для восстановления предела

прочности до исходного, и здесь механическое снятие припусков (рис. 4, в) остается предпочтительным. Эффективной остается комбинированная обработка с удалением части припуска электродом-щеткой (рис. 4, в), микрогалтовка абразивными гранулами, которые позволяют одновременно с упрочнением снять припуск, достаточный для удаления дефективного слоя. Полировка (рис. 4, г) не дает возможности получения уровня, достигаемого при упрочнении.

Металлографические исследования образцов после финишного

электрохимического полирования показали увеличение микрорастравливаний, что приводит к снижению предела прочности материалов. Кроме того, появляется наводораживание поверхности, что также снижает усталостную прочность. Поэтому электрохимическое полирование после ЭХО практически не дает эффекта, кроме случаев улучшения декоративных свойств изделий, хотя механическое полирование позволяет получить результаты, близкие к приведенным

на рис. 4, в. При обработке деталей кварцевым песком и чугунной дробью был установлен эффект резкого возрастания содержания водорода в поверхностном слое сплавов, что не может быть объяснено только влажностью среды. Видимо при такой обработке в поверхностном слое происходят химические преобразования. Попытки удалить водород вакуумным отжигом не дали заметных результатов, хотя после ЭХО такой процесс давал положительные результаты.

В литературе [1] имеются краткие сведения об эффективности использования сильных магнитных полей и радиоактивного облучения сплавов для повышения их усталостной прочности. Однако

применительно к ЭХО обобщающих работ в этой области нам не известно.

Эффективность применения комбинированных процессов Наиболее перспективными способами формирования поверхностей с заданными свойствами являются комбинированные процессы, часть которых показана в таблице.

Качество поверхностного слоя после ЭХО и комбинированных методов обработки

Шероховатость Наклеп поверхности, % Наводораживание

Метод Стали титано- Алю- Ста- тита- алюми- Ста- титано- алюми-

вые миние- ли новые ниевые ли вые ниевые

сплавы вые сплавы сплавы сплавы сплавы сплавы

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ЭХО 0,3-1,0 1,0-1,25 0,5-1,0 отсутствуют 0 + 0

Электроабразивный 0,2-0,4 0,3-0,5 0,3-0,4 0 0 0 0 0 0

Обработка 2-2,5 - 2,5 До 15 - - 0 0 0

электродом-щеткой %

Обработка рассыпа- 0,3-0,5 0,5-0,6 0,4-0,5 До 10 До + + 0

ющимся катодом % 12 %

Эрозионнохимический 2,5-5,0 3-6 - - - - 0 0 0

Гальваномеханический 0,080,16 _ _ 0 _ _ 0 _ _

Примечание: 0 - показатель соответствует исходной (после обязательной обработки) величине «+» - показатель превышает исходный «-» - данные отсутствуют

Оптимальное сочетание полученных свойств различных процессов в

комбинированных способах обработки позволяет формировать поверхности с заранее заданными свойствами. Приведенные в таблице процессы дают возможность изменять характеристики поверхностного слоя, однако возможности здесь ограничены диапазонами изменения свойств исходных вариантов обработки.

©

7/У / /~7~7~7~7~7~У /'Х^/'/У / У У / У У / /

Рис. 5. Комбинированная чистовая обработка каналов

Снять ограничения по наклепу, обеспечить заданное качество поверхности и

точность каналов удалось (рис. 5) за счет комбинированного воздействия анодного растворения и упрочняющего элемента [3; 4] (а.с. № 663518, 1085734). Это новый способ, при котором используется принцип регулирования продольной подачи при P=const. В этом случае, независимо от исходного припуска, за счет регулирования скорости продольного перемещения упрочняющего элемента 2 (рис. 5) припуск под дорнование имеет одно и то же значение, а из-за постоянного расчетного усилия наклеп внутренней поверхности после ЭХО рабочей частью 3 инструмента будет стабильным и соответствовать величине, требуемой для получения заданной усталостной прочности сплава. Здесь достигается сразу 2 цели -высокая точность (6-7 квалитет ГОСТ), заданный оптимальный наклеп при шероховатости Ra= 0,08-0,63 мкм.

Использование схемы на рис. 5 требует поддержания расчетного усилия перемещения, которое зависит от размеров канала, свойств заготовки и температуры в зоне обработки. Оборудование для реализации способа должно быть оснащено средствами адаптивного управления процессом. Такие средства были созданы под руководством З.Б. Садыкова и

использованы в станке СЭХО-901, выпускаемого по заказам предприятий.

Заключение

Таким образом, существующие технологические процессы с использованием ЭХО, позволяют получать детали с высоким качеством поверхности, обеспечивающей надежную работу изделий при циклических нагружениях, причем с позиций обеспечения прочности для большинства случаев ЭХО может быть рекомендована в качестве финишной операции. Значительная часть исследований базируется на работах прошлых лет, часть которых приведена ниже.

Литература

1. Смоленцев, Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки [Текст] / Е.В. Смоленцев. М.: Машиностроение, 2005. 511 с.

2. Сулима, А.М. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов [Текст] / А.М. Сулима, М.И. Евстигнеев. М.: Машиностроение, 1974.

3. А.с. 663518 СССР, МКИ2 В 23Р,1/04. Способ электро-химико-механической обработки [Текст] / Смоленцев В.П., Примак В.С. - 2557194/25-08; заявлено 20.12.77: Бюл. № 19.

4. А.с. 1085734 СССР, МКИ3 В 23Р, 1/04. Способ электро-химико-механической обработки [Текст] / Болдырев А.И., Смоленцев В.П. - 3460386/25-08; заявлено 29.06.82, опубл. 1984, Бюл. № 14.

Воронежский государственный технический университет

ACHIEVEMENT OF REQUIRED MICROSURFACE BY DIMENSIONAL ELECTROCHEMICAL

AND MIXED MACHINING

V.P. Smolentsev, V.V. Zolotarev, I.T. Koptev

Mechanism of surface layer formation by contactless electrochemical machining is viewed. Was demonstrated that roughness height of details depends on machining modes, dimensions of alloy structure. Roughness and micropits have the same cause of appearance. Their dimensions depend on proportions permanent for every material. Recommendations for choosing of instruments for measuring of roughness, depth of micropits without metallographical observations are described. These recommendations make it possible to explain choose of allowances for final operations and explain usability of different technological methods for getting details with high resistance by cyclic loadings. Mixed machining methods, their possibilities to form surfaces with required quality and calculation methods of machining modes are viewed

Key words: formation of microsurface, quality evaluation, ways to improve quality of details