Формирование наименьшего значения шероховатости поверхности деталей машин на основе выбора оптимальных режимов размерной электрохимической обработки

РАЗДЕЛ 2. ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ И МАТЕРИАЛЫ

Формирование наименьшего значения шероховатости поверхности деталей машин на основе выбора оптимальных режимов размерной электрохимической обработки

Бавыкин О.Б., д.т.н. проф. Вячеславова О.Ф.

МГТУ «МАМИ» Ray86@list.ru

Аннотация. В данной статье представлены результаты исследования влияния параметров электрохимической обработки сплава 1201 на значения среднего арифметического отклонения профиля поверхности Яа и выбран оптимальный режим электрохимической обработки сплава 1201 на экспериментальной установке ЭУ5.

Ключевые слова: электрохимическая обработка, шероховатость.

Размерная электрохимическая обработка (ЭХО) представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных процессов, управление которыми представляет сложную в техническом отношении задачу, заключающуюся в необходимости стабилизации большого количества технологических параметров ЭХО [1,2]. В связи с этим, ввиду постоянного возрастания требований к эксплуатационным характеристикам деталей по точности и качеству поверхности, актуальной является задача определения оптимальных режимов ЭХО с целью повышения эффективности технологии ЭХО деталей исходя из понимания ЭХО как синергетического процесса.

Для выбора оптимального режима ЭХО проведено исследование ЭХО алюминиевого сплава 1201 на базе экспериментальной установки ЭУ5 с использованием метода наименьших квадратов [3, 4].

В качестве параметров оптимизации определены следующие: растравливание по границам зёрен; микротвёрдость; шероховатость поверхности (по параметру Ra - среднему

арифметическому отклонению профиля). Параметр Ra наилучшим образом удовлетворяет

требованиям, предъявляемым к отклику [3]. В качестве факторов, влияющих на параметр Ra,

выбраны факторы, представленные в таблице 1. Выбранные факторы удовлетворяют требованиям, предъявляемым к факторам в планировании эксперимента [5].

Таблица 1

Факторы, влияющие на параметр Ra

№ п/п Название параметра Размерность Область определения Точность

1. Концентрация электролита % 1 - 30 ±0,5

2. Температура электролита Град.К. 288 - 333 ±2

3. Электропроводимость электролита Ом- • м- 0,043 -10-6 ±0,001

4. Скорость прокачки электролита м / с 0 - 0,9 ±0,2

5. Скорость подачи катода м / с 10-4 - 2 -10-3 ±0,1

6. Шероховатость подачи катод - инструмента м -10 -6 1 - 0,014 ±0,001

7. Шероховатость анода - детали до ЭХО м -10 -6 1 - 0,04 ±001

8. Химические свойства обрабатываемого материала % 0,001 - 99,99 ±0,0001

9. Ионная природа электролита Ом ~ • м ~ 0,0437 • 10 -6 ±0,001

10. Структура обрабатываемого материала - - -

Длительность одного опыта определялась установлением стабильного межэлектродного зазора, равного 0,3 мм, в течение 10 с и составляла в общей сложности 30с. Количество параллельных опытов в точке и параллельных измерений не ограничивалось, однако, вследствие достаточно высокой воспроизводимости результатов эксперимента, количество параллельных экспериментов в точке было принять равным 2, а параллельных измерений - 3 с учётом возможности постановки 3-х опытов в точке в случае резкой расходимости результатов. В качестве рабочих электролитов из литературных данных были выбраны нитрат натрия; комбинированный электролит (нитратно-хлоридный).

Выбор матрицы планирования эксперимента производился в соответствии с количеством выбранных факторов и требованием минимизации числа опытов в эксперименте [6], в силу чего выбран ротатабельный план с центральной композицией (полный факторный эксперимент).

Проверка однородности дисперсий проводилась либо по критерию Фишера (для нитрата натрия, где количество параллельных опытов одинаково во всех точках и равно 2), либо по критерию Барлетта (для нитратно-хлоридного электролита, где количество параллельных опытов не одинаково во всех точках и колеблется от 2-х до 4-х). Подсчёт критериев показал, что для сплава 1201 при обработке в нитрате натрия соблюдается условие однородности дисперсий. В связи с тем, что формирование поверхности при физико-химических методах обработки осуществляется в специфических условиях функционирования динамических систем со множеством одновременно протекающих (синергетических) процессов, в качестве модели для проведения предварительных элементов был выбран план второго порядка (2к) в виде полной квадратичной модели, содержащий, кроме основных эффектов j, все парные

й A (R +1)• (R + 2) ,, m взаимодействия bji , т.е. всего-^- эффектов (1).

r r r

y

i =1 i <j i=1

Для выбранного числа факторов, равного b, уравнение приобретает вид (2):

6 6 6

У

i =1 i <j i=1

Такая модель, позволяющая вносить влияние двух и более переменных, между которыми существует характерная связь, представляет собой уравнение регрессии (y - случайная величина). Регрессионная модель аппроксимирует совокупность экспериментальных данных, а также позволяет исследовать природу взаимосвязи взаимодействующих между собой переменных (факторов). Согласно проведенному анализу чувствительных факторов, выбраны 6 факторов, включённых в реальный эксперимент, варьируемых на трёх (-1: 0; +1) уровнях. Статистический анализ уравнения и расчёт коэффициентов регрессии производит с помощью стандартной программы на компьютере PIV (2,4Mhz, 512RAM, HDD 60GB). Матрица планирования значений шероховатости по параметру Ra, полученная в результате эксперимента, представлена в таблице 2 для сплава 1201. Электролиты - NaNO3, NaCl + NaNO3; S = 0,3 мм, U = 16,5 В. Поверка на значимость коэффициентов регрессии по критерию Фишера (F - критерию) при 5 % уровне значимости показала, что для сплава 1201 при его обработке в нитрате натрия незначительными оказались коэффициенты при факторах x1x4, x2x5, x3x4 и т.д., а в комбинированном электролите - при факторах x2, x2x5, x3x6. После исключения незначимых членов, уравнения регрессии принимают следующий вид:

• для нитрата натрия

Ra = 0.5 x62 + 0.11x1 + 0 09x22 + 0.081x52 + 0.05^ x5 + 0.03x3 x5 + 0.02x4 x5;

• для нитратно-хлоридного электролита

Яа = 0.5 х42 + 0.61x1 + 0.41х62 + 0.27 х32 + 0.11х3 + 0.09 х52 + 0.04х3 х6

Матрица планирования для сплава 1201

Таблица 2

факторы С, % рН Т (• К ) Уэ (м/с) скорость подачи (м/с) струк. шерохов. Яа, мкм

1 2 3 4 5 6 7

основной уровень 20 7 30+273 32 1 сырой

верхний уровень 25 9 40+273 52 1,5 состар.

нижний уровень 15 5 20+273 12 0,5

1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0,34 - 2,5

2 1 0 0 0 0 0 0,65 - 0,875

3 0 1 0 0 0 0 0,65 - 5,150

4 0 0 1 0 0 0 0,635 - 4,875

5 0 0 0 1 0 0 0,275 - 0,8

6 0 0 0 0 1 0 0,67 - 6,35

7 0 0 0 0 0 1 0,35 - 7,0

8 1 1 1 1 1 0,635 - 1,45

9 1 1 1 1 1 0,325 - 0,54

10 1 1 1 1 1 0,285 - 8,0

11 1 1 1 1 1 1,1 - 1,225

12 1 1 1 1 -1 1 0,9 - 0,8

13 1 1 1 1 1 0,225 - 0,55

14 1 1 -1 0,375 - 0,815

15 1 1 -1 0,575 - 1,5

16 1 1 -1 0,525 - 1,424

17 1 1 0,573 - 2,0

18 1 -1 0,3 - 1,35

19 1 -1 0,29 - 7,4

20 1 -1 1 0,75 -1,35

21 1 -1 1 0,37 - 0,55

22 1 1 1,075 - 8,0

23 1 1 0,725 - 5,675

24 1 1 0,9 - 8,0

25 1 1 0,975 - 8,0

26 1 1 -1 0,275 - 0,95

27 1 1 -1 0,75 - 1,065

28 1 1 -1 0,65 - 1,35

Оценка параметров поверхности складывалась из замера шероховатости, визуальной оценки поверхности на всех режимах выборочного фотографирования поверхности, имеющей характерный вид. Поверхность образцов, обработанных в нитратном электролите на всех режимах обработки, светлая, блестящая, без следов макродефектов.

Величина Яа (мкм) представлена в таблице 3. Двойные эффекты взаимодействия оказывают существенно меньшее влияние на величину параметра Яа. Для сплава 1201 такими

влияющими факторами в парном взаимодействии являются концентрация электролита и скорость перемещения катод-инструмента, температура электролита Т и скорость перемещения катод-инструмента и, наконец, скорость течения электролита Уэ и скорость катод-

инструмента Ук (рисунки 1 и 2).

При обработке на режимах 6, 8 - 11, 22 - 25, 27, 28 поверхность имеет тёмную плёнку, грубую струйность, переходящую в чешуйчатость или различные сочетания названных дефектов. Очевидно, что это связано с нарушением гидродинамики потока электролита и уве-

личением электропроводности и повышением скорости подачи катода и ростом температуры, приводящими к усиленному местному растворению сплавов.

Таблица 3

Значения Яа для алюминиевого сплава

№ опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Яа,мкм 0,34 0,65 0,65 0,6 0,27 0,67 0,3 0,63 0,32 0,23 1,1 0,9 0,23 0,38

№ опыта 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Яа,мкм 0,57 0,52 0,57 0,3 0,29 0,75 0,37 1,07 0,72 0,90 0,97 0,27 0,75 0,65

С % VK т/мин Ra. жм

15 0.5 0.168

20 0.5 006 '

25 0.5 0.356

3D 1 0.227

35 1 омо

Ш 1 0,220

15 15 от

50 ts 0.192

55 1.5 0,285

С %

vk мм/'пин

Рисунок 1 - Зависимость Ra = f (C,Vk), сплав 1201, электролит 15% NaNO3

т:к Vk, мму мин Ra мкм

293 0.5 о. об 7

зоз 05 аз/в

3/3 о 5 обоо

293 1 o.oio

зоз 1 а 186

313 1 0,374-

293 15 0.192

зоз 15 0,255

313 15 0,350

iO

Г" к

15

У К мм/мин

Рисунок 2 - Зависимость Яа = / (Т ,¥к), сплав 1201, электролит 15 % ЫаЫО3

Для слава 1201 установлено, что повышение температуры от 293° до 313°К ведёт к увеличению шероховатости Яа, что можно объяснить увеличением электропроводности электролита с повышением температуры и, как следствие этого, увеличением съёма материала. Увеличение скорости прокачки электролита снижает шероховатость поверхности от 0,32 до 0,029 мкм на лучшем режиме и от 1,25 до 0,53 мкм - на наихудшем режиме. Очевидно, это связано с улучшением условий выноса продуктов растворения из зоны обработки, что по-

вышает стабильность процесса обработки. Наименьшая шероховатость поверхности достигается при С = 20 % (Яа = 0,029 мкм). Уменьшение концентрации до 15 % и её увеличение

до 25 % приводит к росту шероховатости, что может быть связано с диффузионными ограничениями процесса. Увеличение шероховатости поверхности наблюдается при увеличении скорости подачи катода-инструмента от 1 до 1,5 мм/мин, что, очевидно, вызвало нарушение гидродинамических условий в МЭЗ.

Значения параметра Яа, полученные для наилучшего режима, представлены в таблицах

4 и 5.

Таблица 4

Значения параметра Яа для состаренного и закалённого сплавов

сплав режим ЭХО Яа, мкм

С, % рН Т (• К ) Уэ, мм/мин Ук , мм/мин структура

1201 20 9 293 52 1 состаренный 0,029

5 = 0,3 мм; р = 12,5 В; у = 25 - 55 А / см2

Таблица 5

Значения параметра Яа для сплава 1201 без термообработки

сплав режим ЭХО Яа, мкм

С, % рН Т (• К ) Уэ, мм/мин Ук , мм/мин структура

1201 25 9 313 12 1,5 сырой 0,131

5 = 0,3 мкм; р= 12,5 В; ] = 28 - 86 А / см2

Анализ влияния парных эффектов и величины параметра шероховатости Яа показывает, что наибольшее значение Яа для сплава 1201 формируется при сочетании предельных

(для рассматриваемого диапазона факторов) значений концентрации С и скорости подачи катода-инструмента Ук: 25 % и 1,5 мм/мин соответственно (рисунок 1, рисунок 2). Этот факт можно объяснить тем, что высокая концентрация ионов нитратного электролита приводит к нарушению динамики диффузионных процессов в межэлектродном промежутке, а большая скорость подачи катода - к развитию и осложнению гидродинамических процессов, образованию кавитационных явлений, образованию воздушных полостей и т.д.

Исследование влияния парного взаимодействия температуры электролита Т и скорости подачи катод-инструмента Ук на величину параметра шероховатости Яа указывает на преобладающее влияние температурного фактора: с ростом температуры электролита в диапазоне 293°К до 313°К возрастает от 0,04мкм до 0,6мкм. Дополнительный вклад в увеличение параметра Яа вносит увеличение скорости подачи катод-инструмента, что, очевидно, связано, как и в предыдущем случае, с интенсификацией кавитационных явлений в межэлектродном промежутке и образованием макродефектов поверхности.

При исследовании влияния тонких парных эффектов таких, как скорость течения электролита Уэ и водородного показателя рН, можно заключить, что наименьшее значение параметра Яа формируется на поверхностях, обработанных в нейтральном нитратном электролите (рН = 7) со скорость его прокачки Уэ = 52 мм/мин. Наибольшее значение параметра Яа

следует ожидать при минимальных скоростях прокачки электролита (12 мм/мин) в щелочной среде (рН = 9), что объясняется ухудшением выноса продуктов растворения из зоны обработки, её зашлакованности при малых скоростях течения электролита и выносной избирательностью процесса, свойственной щелочным электролитам.

Выводы

Анализ полученных данных позволяет сделать следующий вывод:

• наибольшее влияние на величину параметра Яа оказывает температура электролита;

• парные (двойные) дефекты взаимодействия факторов оказывают хотя и меньшие влияния,

Раздел 2. Технология машиностроения и материалы.

чем ранее названные, но достаточно значительные, чтобы ими можно было пренебречь. При выборе режимов электрохимической обработки с целью получения наименьшего значения среднего арифметического отклонения профиля поверхности Яа (0,040мкм) для

сплава 1201 рекомендуется 20 % раствор нитрата натрия с температурой 293°К и подача катода-инструмента со скоростью 1 мм/мин., таблицы 5.

Заключение

В целом можно отметить, что парные эффекты взаимодействия, образуя сложную поверхность типа "седло" или "гиперболического" типа, демонстрируют синергетический принцип осуществления размерной электрохимической обработки, заключающийся в совместном действии многочисленных факторов на изменение (рост или уменьшение) шероховатости поверхности по параметру Яа. Кроме того, при соблюдении ранее высказанных рекомендаций по достижению наименьшего значения параметра Яа формируется так называемая квазистационарная шероховатость с Яс = 0,22мкм (0,003 мм) независимо от исходной шероховатости, что можно объяснить явлениями самоорганизации поверхности, структур при определённых режимах обработки.

Литература

1. Вячеславова О.Ф.,. Потапов В.И., А.В. Иванайский. Применение информационных технологий для контроля параметров поверхности изделий ракетно-космической техники. В журнале «Технология машиностроения», выпуск 9, Москва 2008 г., стр. 66-69.

2. Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов в авиастроении. Сборник под ред. А.Х. Каримов. Казань: КАИ, 1991.-87с.

3. Баранов О.В. Методы математического моделирования. Ч. I. Качественная теория. М.: 1997, 61с. Ч. II. Нелинейные модели. М.: 1997, 53с.

4. Коченов М.И., Правоторова Е.А. Моделирование операций контроля и управления точностью М.: Калуга, 1980, с.95.

5. Оценка методов анализа геометрии поверхности после различных видов обработки /Пер. с англ., 1979, т.28, с.18.

Лазерная фотохимическая модификация поли-п-ксилилена

к.ф.-м.н. Волкова Л.В., Аверьянова Е.А., д.ф.-м.н. проф. Нурмухаметов Р.Н., Кабанов С.П.

МГТУ «МАМИ», ФГУП «НИФХИ им. Л.Я. Карпова»

(495) 223-05-23, доб. 1338

Аннотация. Изучены спектрально-люминесцентные свойства плёнок поли-п-ксилилена, подвергавшихся воздействию импульсного УФ-лазера. Показано, что воздействие лазера приводит к эффективному образованию в полимере новых оптических центров свечения, полоса флуоресценции которых лежит в видимой области спектра.

Ключевые слова: полимер, поли-п-ксилилен, оптические центры свечения, фотохимическая модификация структуры, спектр поглощения, спектр флуоресценции.

Полимер поли-п-ксилилен (ППК) характеризуется хорошими механическими свойствами, низкой водо- и газопроницаемостью, стойкостью по отношению к органическим растворителям и агрессивным средам, оптической прозрачностью, низкой диэлектрической проницаемостью [1, 2]. Благодаря указанным свойствам ППК широко используется в качестве высокоэффективных влагозащитных электроизоляционных покрытий для изделий радио-и микроэлектроники.

ППК относится к флуоресцирующим полимерам, что позволяет расширить область его 108Известия МГТУ «МАМИ» № 2(10), 2010.