Достижение заданного качества материала управлением технологическими условиями комбинированной обработки

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.9.047

А.И. Болдырев ДОСТИЖЕНИЕ ЗАДАННОГО КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛА УПРАВЛЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ

Рассмотрен метод комбинированной обработки, включающий анодное растворение и механическое упрочнение. Сочетание этих воздействий дает возможность получать высокую точность и требуемое качество внутренних поверхностей деталей машин. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Комбинированная обработка, технологические параметры, поверхностный слой.

A.I. Boldyrev ACHIEVING THE REQUIRED MATERIAL QUALITY BY CONTROL OF MIXED CULTIVATION TECHNOLOGICAL CONDITIONS

The article is devoted to the method of mixed cultivation including anodic dissolution and mechanical hardening. Combination of these influences gives an opportunity to achieve high accuracy and required quality for the inner surfaces of machine components. The author presents the results of theoretical and experimental investigations.

Mixed cultivation, technological parameters, surface layer.

Введение. В Воронежском государственном техническом университете создана теория технологии комбинированной обработки, позволяющей гарантированно обеспечивать заданные точностные и эксплуатационные показатели изделий. В результате разработаны неизвестные ранее процессы, получившие название электрохимикомеханической обработки. Эти процессы успешно использованы в оборонной, авиационной и ракетно-космической отраслях промышленности и в настоящее время применяются в производстве компрессоров, насосов, транспортных средств, изделий специального назначения. Электрохимико-механический метод позволяет производить обработку сложных деталей без дополнительных чистовых и упрочняющих операций и достичь значительной экономии.

Комбинированная электрохимико-механическая обработка внутренних поверхностей. Известно, что каждый вид обработки вносит изменения в поверхностный слой материала и оказывает влияние на его механические и эксплуатационные характеристики, особенно на усталостную прочность сплавов [1]. Если последней

технологической операцией является пластическое деформирование, то ее влияние на качество поверхностного слоя существенно зависит от метода и условий предшествующей обработки (режимов обработки, геометрии упрочняющего инструмента, физикомеханических свойств обрабатываемого и инструментального материала) [2]. Одним из способов удаления наследственных факторов от предыдущих технологических операций без внесения новых изменений поверхностного слоя является электрохимическая обработка, где в качестве электролитов используются водные растворы нейтральных солей.

Однако, для повышения долговечности деталей машин поверхностный слой должен обладать заданными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками. В этом случае припуск на упрочнение должен иметь строго рассчитанное значение с минимальными отклонениями. Отдельное формообразование внутренних поверхностей электрохимической размерной обработкой и последующим поверхностным пластическим деформированием может гарантировать стабильные результаты только при глубоком деформировании материала с высокой степенью наклепа, поскольку точность электрохимической обработки не превышает значений 9-10-го квалитетов 180.

Анализ экспериментальных зависимостей влияния наклепа Uн на предел выносливости о_1 показал, что усталостная прочность растет до некоторого предельного для данного материала значения. Дальнейшее упрочнение ведет уже к ее снижению. Так, усталостная прочность стали 40ХНМА достигает максимального значения при степени наклепа Uн = 16% (рис. 1 а), последующее наклепывание поверхности до Uн = 30% приводит уже к снижению предела выносливости на 4,6%. Еще более интенсивное изменение предела выносливости установлено для титанового сплава ВТ3-1 (рис. 1 б): изменение степени наклепа всего на 1% (с 11 до 12%) позволяет повысить предел выносливости на 39 МПа (на 13,7%), а увеличение степени наклепа еще на 4% приводит уже к снижению на 27,2%. На практике же гарантированно обеспечить требуемую степень наклепа, позволяющую достичь наибольшей прочности и долговечности детали, зачастую не удается, т.к. упрочнение наклепом даже на отделочных операциях чаще всего осуществляется по уже упрочненному предшествующими технологическими операциями поверхностному слою.

а б

Рис. 1. Влияние наклепа поверхностного слоя на предел выносливости: а - сталь 40ХНМА; б - сплав ВТ3-1

Формообразование внутренних поверхностей высокой точности с заданным упрочнением комбинированной обработкой возможно при взаимном регулировании процесса анодного растворения постоянной силой деформирования и достижении стабильной исходной поверхности под наклеп за счет анодного растворения на глубину,

превышающую глубину залегания остаточных напряжений. Для реализации идеи предложен способ электрохимикомеханической обработки внутренних поверхностей [3], по которому обработку ведут с использованием комбинированного электрода-инструмента, выполненного из изолированных один от другого инструмента для электрохимической обработки и инструмента для калибрующего протягивания (рис. 2).

Электрод-инструмент содержит рабочую часть 1, калибрующий элемент (дорн) 2, передний 3 и задний 4 направляющие элементы, выполненные по форме контура обрабатываемой поверхности из диэлектрика. В элементе 2 для прохода электролита выполнены отверстия 5, а в элементах 3 и 4 - пазы 6 и 7, соответственно. Рабочая часть 1 и калибрующий элемент 2 соединены между собой посредством тяги 8 с диафрагмой 9 и упругого элемента 10. На внутренней поверхности рабочей части 1 установлен прерыватель тока к механизму для протягивания со штоком 11, а на внутреннем торце ее -тонкая диэлектрическая прокладка 12. Рабочий ток от источника питания подводится токоподводом 13.

13 3 в 9 1 10 7 4 12 5

Рис. 2. Комбинированный инструмент для электрохимико-механической обработки

Для заданной величины наклепа расчетным путем определяется припуск, необходимый для калибрующего протягивания

г пЦн7НВ0

упр 200 V 100 • А ’

где ё0 - диаметр отверстия перед обработкой калибрующим элементом; HB0 - твердость, соответствующая ненаклепанному состоянию металла; A, п - эмпирические

коэффициенты.

Скорость перемещения комбинированного инструмента задают такой, чтобы независимо от исходного припуска после обработки поверхности рабочей частью 1 инструмента оставался назначенный припуск под протягивание. Для регулирования скорости перемещения используется постоянная сила его перемещения P.

При подаче рабочего тока и электролита в зону обработки происходит анодное растворение обрабатываемой поверхности под рабочей частью 1 до величины припуска, необходимого для протягивания. При дальнейшем движении комбинированного инструмента калибрующий элемент 2 удаляет оставшийся припуск и создает требуемый наклеп поверхности. Если имеется местное снижение диаметра канала заготовки, то способ позволяет ускоренно удалять повышенный припуск непосредственно перед калибрующим элементом 2 за счет задания рабочей части 1 осциллирующего движения

вдоль оси обработки. При этом использован эффект производительного локального съема металла в месте повышенного наклепа, создаваемого ударными усилиями инструмента.

В тех случаях, когда происходит остановка калибрующего элемента 2 на участках снижения диаметра обрабатываемого канала, рабочая часть 1 комбинированного электрода-инструмента продолжает движение до тех пор, пока диафрагма 9 тяги 8 не надавит на шток 11 прерывателя тока механизма для протягивания. В результате снимается рабочая продольная сила P и происходит полная остановка электрода-инструмента. Под действием элемента 10 рабочая часть 1 начинает совершать возвратнопоступательное движение к калибрующему элементу 2. По достижении рабочей частью 1 исходного положения освобождается шток 11 и подается рабочая сила протягивания, возобновляется движение подачи комбинированного электрода-инструмента.

Рабочая сила протягивания

( Г }

P _П Pк • ZупP • Лк • 1 +-- ,

I а)

где рк - нормальное контактное давление; - диаметр калибрующего элемента; /-

коэффициент трения; а - угол заборного конуса калибрующего элемента.

Исследования качества поверхности [4] после комбинированной обработки показали, что пластическая деформация, обусловленная калибрующим элементом, повышает физико-механические и эксплуатационные характеристики поверхностного слоя. После комбинированной обработки поверхность практически не содержит следов анодного растворения и питтинга, которые характерны для предшествующей электрохимической обработки, т.е. имеет место эффект «залечивания» дефектов. Происходит образование текстуры и измельчение зерен. Структура поверхностных слоев становится близкой к структуре аморфных металлических материалов, чем, видимо, и объясняется повышение эксплуатационных характеристик изделий.

Измерение шероховатости показало возможность стабильного достижения Яа = 0,16-0,08 мкм - для сталей; Яа = 0,32-0,16 мкм - для сплавов алюминия.

Предел выносливости после комбинированной обработки превосходит предел после электрохимической обработки, соизмерим с пределом выносливости, обеспечиваемым механической обработкой с упрочнением [4].

Выводы

1. Механические характеристики материалов после электрохимико-механической обработки сохраняются в допустимых пределах и последующей обработки поверхности не требуется.

2. Полученная структура поверхностного слоя обеспечивает высокие механические показатели, особенно необходимые для деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок.

3. Результаты усталостных испытаний исследуемых материалов после электрохимико-механической обработки позволяют рекомендовать предложенный способ взамен операций развертывания, шлифования, полирования и др.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сулима А.М. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / А.М. Сулима, В.А. Шулов, Ю.Д. Ягодкин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.

2. Технологические основы обеспечения качества машин / под ред.

К.С. Колесникова. М.: Машиностроение, 1990. 256 с.

3. А.с. 1085734 СССР, МКИ3 В 23 Р 1/04. Способ электрохимико-механической обработки / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев (СССР). Опубл. 1984. Бюл. № 14.

4. Болдырев А. И. Обеспечение заданного качества поверхностного слоя каналов

комбинированной обработкой / А.И. Болдырев // Известия ОрелГТУ. 2009. № 2-

3/274(560). С. 59-63.

Болдырев Александр Иванович -

кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения» Воронежского государственного технического университета

Boldyrev Aleksander Ivanovich -

Candidate of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of «Technology of Machine Building» of Voronezh State Technical University

Статья поступила в редакцию 28.04.10, принята к опубликованию 14.07.10