Комбинированная электромеханическая обработка с динамическим силовым воздействием

УДК 621.81

В. Р. ЭДИГАРОВ Е. В. ЛИТАУ В. В. МАЛЫЙ

№

Омский автобронетанковый инженерный институт

КОМБИНИРОВАННАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА С ДИНАМИЧЕСКИМ СИЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ_

Рассмотрено влияние комбинированной электромеханической обработки с динамическим силовым воздействием на эксплуатационные свойства поверхностных слоев обрабатываемых деталей. Особенность влияния дополнительного ударного воздействия в процессе ЭМО на изменение механических свойств упрочненного слоя.

Ключевые слова: электромеханическая обработка, динамическое силовое воздействие, ударное нагружение, поверхностный слой.

В последние годы разработано большое количество различных технологических методов повышения износостойкости деталей узлов трения. Большинство методов являются, по сути, методами поверхностного упрочнения путем модифицирования структуры поверхностного слоя материала. Анализ технологических методов обработки поверхностей деталей машин показывает, что универсальных методов нет, каждый имеет свою конкретную область рационального применения, зачастую достаточно узкую. Технолог и конструктор стоят перед проблемой выбора высокоэффективного метода обработки из большого числа возможных или создания на основе их совмещения комбинированного метода обработки детали. На предприятиях машиностроения все шире применяются комбинированные методы термомеханической, электрофизической, электрохимической и ионно-лучевой обработки, в основу которых положено использование высокопроизводительных инструментов, а также разнообразных источников высококонцентрированной энергии. В процессе такой обработки поверхностный слой детали поглощает в короткое время значительное количество энергии. Образующиеся в нем неравновесные диссипативные структуры аккумулируют избыток энергии и самопроизвольно стремятся к состоянию с наименьшей свободной энергией. В поверхностном слое происходят необратимые процессы наследственности и самоорганизации, которые путем наложения и совместных действий потоков энергии ведут к образованию комплекса структур с определенными свойствами.

Большими потенциальными возможностями улучшения эксплуатационных свойств поверхностей деталей машин, позволяющая наиболее полно реализовывать потенциал механических и эксплуатационных характеристик материала, благодаря формированию на его поверхностном слое уникальных структурно-фазовых состояний, обладает электромеханическая обработка (ЭМО) [1—5]. ЭМО

является особым способом контактной обработки поверхностей высококонцентрированным источником электрической энергии, объединяющим в единой технологической схеме силовое и термическое воздействие инструмента на деталь, что позволяет формировать уникальные свойства поверхностного слоя деталей.

Для ЭМО характерно постоянное тепловое воздействие, основным источником которого является прохождение через место контакта поверхности и рабочего инструмента электрического тока большой силы (до 1500 А) и малого напряжения (3 — 6 В), статическое приложение деформационного усилия, что создает суммарное постоянное по величине термодеформационное воздействие на зону обработки.

Исследования поверхностного пластического деформирования как одного из прогрессивных видов обработки показывает, что комбинированное статическое и динамическое нагружение зоны деформации значительно повышает эффективность обработки, позволяет регулировать равномерность упрочнения поверхности, формировать упрочненный поверхностный слой со стабильными характеристиками. Создание дополнительного деформирующего воздействия при производстве электромеханической обработки за счет динамической составляющей нагрузки, которая формируется в ударной системе и сообщается в зону деформации в виде, например, пролонгированного импульса позволяет увеличить глубину создаваемого упрочненного поверхностного слоя, его твердость, а также измельчить закалочные структуры в момент их формирования.

Упрочнение ЭМО при комбинированном статическом и динамическом нагружении создает дополнительные возможности при формировании упрочненной поверхности. Технология упрочнения при этом может включать следующие этапы: предварительное статическое и последующее периодическое импульсное нагружение инструмента в условиях постоянного или импульсного подвода электрического

Электромеханическая обработка

Тепловое воздействие

Деформационное воздействие

Импульсное

Постоянное

Постоянное

Импульсное

С постоянным тепловым и импульсным деформационным воздействием С постоянным деформационным и импульсным тепловым воздействием

С постоянным тепловым и деформационным воздействием С импульсным тепловым и деформационным воздействием

С запаздыванием теплового импульса относительно деформационного С опережением теплового импульса относительно деформационного

Синхронные импульсы теплового и деформационного воздействия Варьированием числа

С низкой энергией ударного импульса и преобладанием статического нагружения С высокой энергией удара

С использованием энергии волновых процессов С пролонгацией ударных импульсов

С различными способами подвода энергии в зону деформации С различными формами рабочего инструмента и волновода

С соосным или разнонаправленым приложением ударного импульса и статического нагружения С различными формами ударного импульса в пятне контакта

Рис. 1. Схема различных сочетаний теплового и деформационного воздействий при ЭМО

11

Рис. 2. Схема комбинированной электромеханической обработки с динамическим (ударным) силовым воздействием [5]

тока в зону контакта, большой величины и низкого напряжения. При этом предварительное нагруже-ние создает основные условия для деформационного воздействия и способствует более полной передаче концентрированного потока энергии в виде импульса к обрабатываемой поверхности.

На рис. 1 представлена схема возможных сочетаний теплового и механического воздействий в ходе ЭМО, которые реализуются при использовании постоянного или переменного тока; статического или импульсного пластического деформирования; синхронного или асинхронного приложения ударных и электрических (тепловых) импульсов с запаздыванием или опережением рабочих импульсов относительно друг друга; варьированием числа (частоты) ударных импульсов за длительность одного электрического, с использованием волновых процессов, в т.ч. с пролонгацией ударного импульса и т.д.

Такие разновидности электромеханической обработки, как электромеханическая обработка с динамическим силовым воздействием (ЭМОсДСВ), с импульсными ударными нагрузками (ЭМИО) [2, 6], позволяют достичь наибольшей интенсивности температурно-силового воздействия на материал в процессе обработки. При ЭМО одновременно с пропусканием электрического тока через место контакта рабочего инструмента и обрабатываемой поверхности создаются ударные силовые импульсы, синхронные с импульсами электрического тока,

при этом длительность и частота этих импульсов равна электрическим импульсам. Такое изменение технологии традиционной электромеханической обработки со статическим действием контактной нагрузки позволяет существенно повысить скорость тепловых и деформационных процессов и создать условия для увеличения количества энергии динамического воздействия, затрачиваемого на пластическое деформирование поверхностного слоя, его пролонгации.

Особенности влияния дополнительного ударного воздействия в процессе ЭМО исследовались на цилиндрических деталях диаметром 50 мм изготовленных из стали марок 45 и 38ХС в нормализованном исходном состоянии, подвергнутых комбинированной электромеханической обработке с динамическим силовым воздействием (ЭМОсДСВ). Обработка проводилась в один проход. Выбор в качестве объекта исследования вышеуказанных сталей объясняется их широким использованием в машиностроении, и в частности в узлах многоцелевых гусеничных машин, к которым предъявляются высокие требования по надежности, прочности и износостойкости.

Для обработки была создана специальная установка, состоящая из токарно-винторезного станка модели ИТ-1М, источника постоянного тока типа ВАКГ-12/6-630-4, твердосплавного инструмента со сферической рабочей поверхностью, установленного соосно с генератором механических

импульсов (рис. 2). На установке обрабатывалась наружная цилиндрическая поверхность образца — 12, закрепленного на оправке.

Ударное (динамическое) нагружение осуществляли по схеме, показанной на рис. 2. В процессе обработки обеспечивалось синхронное включение тока с его плавным регулированием и установкой различных временных выдержек с помощью коммутирующей и управляющей аппаратуры. Плотность тока j варьировалась от 300 до 600 А/мм2. Длительность импульса электрического тока устанавливали равной длительности ударного импульса в диапазоне от 1 • 10~4 с до 10-10~4 с.

В процессе «классической» ЭМО со статическим нагружением инструмента наибольшая толщина упрочненного слоя (h~l—3 мм) достигается при плотности тока 1600 А/мм2 и более, причем дальнейшее увеличение плотности тока не приводит к закономерному пропорциональному увеличению h и, более того, ведет к снижению некоторых эксплуатационных характеристик поверхностного слоя, связанных, например, с образованием вторичной шероховатости поверхности.

Динамическое силовое воздействие в процессе ЭМО обеспечивает достижение более высоких значений h при значительно меньших плотностях тока. При этом необходимую силу ударного динамического нагружения инструмента можно вычислить по формуле, аналогичной известной зависимости С. Г. Хейфеца [6]:

Рдин = ^.диХ

где ст — динамический предел текучести материала упрочняемой детали.

В работе [3] экспериментально установлено, что и при статическом (Рст), и при ударном (Рдин) на-гружении глубина распространения пластической деформации под инструментом однозначно определяется глубиной восстановленного отпечатка, а скоростные зависимости предела текучести и пластической твердости (ГОСТ 18835-73) аналогичны.

Динамический предел текучести оТдин можно вычислить по статическому пределу текучести °т.сг и динамическому коэффициенту твердости [6]:

От.дин = ^Пнд

При этом динамический коэффициент твердости можно рассчитать по следующей формуле [4]:

_ ,-, „ 137vn Лид = О,5!1 - -НО

1 , 2250v0

НД

№

где у0 — начальная скорость соударения.

В процессе проведения экспериментальных исследований силу удара (Рдин) при ЭМО варьировали от 900 до 2500 Н в соответствии с результатами расчета по формуле (1).

Влияние ЭМОсДСВ на механические свойства оценивали по изменению микротвердости поверхности образца. Для получения данных о характере изменения механических свойств по глубине зондируемого слоя, делали срез поверхности образца, в последующем производили внедрение индентора прибора ПМТ-3 по схеме через равные расстояния. По диагоналям полученных отпечатков рассчитывали микротвердость на определенной глубине, по полученным значениям микротвердости строили зависимость микротвердости по глубине поверхностного слоя. Исследования микротвердости и металлографический анализ поверхностного слоя,

Рис. 3. Зависимость изменения микротвердости по глубине упрочненного поверхностного слоя для деталей, обработанных ЭМО и ЭМОсДСВ, для стали 38ХС при одинаковых значениях V, I

полученного при ЭМОсДСВ в один проход, показали, что импульсное энергетическое воздействие на обрабатываемую поверхность и связанные с этим тепловые эффекты приводят к неоднородности свойств в поверхностных и приповерхностных слоях исследуемых сталей.

На рис. 3 показано распределение микротвердости по толщине упрочненного поверхностного слоя. Установлено, что микротвердость Нц и толщина упрочненного слоя И в значительной степени зависят от режимов обработки — плотности тока ] и силы статического и динамического нагруже-ния (силы удара Р ). В приповерхностных объемах для стали 38ХС Нд= 6500...7500 МПа, а значение И в некоторых случаях может достигать 0,3.0,8 мм, а при больших значениях плотности тока и до 1 мм.

Анализ микроструктуры сталей 45 и 38ХС после динамической электромеханической обработки с разными режимами упрочнения показал в поверхностных слоях наличие зоны так называемого «белого слоя». При этом в зависимости от сочетания деформационного и теплового воздействия на обрабатываемую поверхность «белый слой» может формироваться как на поверхности образца, так и в приповерхностной области, что объясняется образованием избыточной теплоты в зоне обработки, которая не успевает отводиться в тело детали, и температура нагрева поверхностного слоя значительно превышает пороговое значение. В результате возникновения большого количества теплоты происходит незначительный отпуск закаленной на «белый слой» стали. Кроме того, различные режимы импульсной обработки приводят к наличию или отсутствию полос сдвига в зоне упрочнения.

Экстремальные условия, создаваемые в зоне обработки при импульсном температурно-силовом воздействии в ходе ЭМОсДСВ, приводят к возникновению в материале термодинамически неравновесных структур, обусловленных сочетанием дисперсных метастабильных фаз, повышенной субструктурной и концентрационной неоднородностью, ростом несовершенств кристаллического строения. Подобные эффекты становятся причиной повышенной микротвердости «белого слоя», упрочненного ЭМОсДСВ.

Таким образом, изменение характера приложения усилия и пластического деформирования в процессе ЭМО приложение ударного воздействия

+

на поверхность позволяет повысить интенсивность процесса высокотемпературной деформации и способствовать дополнительному упрочнению обрабатываемой поверхности. Сравнительный анализ зависимостей микротвердости по глубине упрочненного поверхностного слоя для деталей, обработанных ЭМО и ЭМОсДСВ, показывает средний прирост твердости равный 15...30 %, при одинаковых значениях технологических факторов упрочнения (силы тока и скорости обработки). При этом высокие скорости и температуры протекающих процессов способствуют фиксации указанных упрочненных структур на большей глубине поверхностного слоя, что невозможно достичь при традиционной электромеханической обработке со статическим прижатием инструмента к обрабатываемой поверхности. Анализ полученных результатов экспериментов показывает перспективность развития и совершенствования ЭМОсДСВ; исследуемый способ обработки обладает высокими потенциальными возможностями эффективного управления структурно-фазовыми превращениями при ЭМО благодаря воздействию на обрабатываемую поверхность импульсов заданной формы, амплитуды и продолжительности.

Библиографический список

1. Аскинази, Б. М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой [Текст] / Б. М. Аскинази. — Л. : Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. — 196 с.

2. Эдигаров, В. Р. Технологии и оборудование комбинированных способов электромеханической обработки [Текст] / В. Р. Эдигаров. - Омск : ОАБИИ, 2014. - 280 с.

3. Гурьев, Г. В. Метод твердости для оценки сопротивления стали пластической деформации при ударе : науч. тр. / Г. В. Гурьев, М. С. Дрозд, А. В. Федоров. — Волгоград : ВПИ. — 1967. — С. 383 — 403.

4. Дрозд, М. С. Инженерные расчеты упругопластиче-ской контактной деформации / М. С. Дрозд, М. М. Матлин, Ю. И. Сидякин. — М. : Машиностроение, 1986. — 224 с.

5. Пат. 132751. Российская Федерация, МПК В24В 39/04 (2006.01). Державка для комбинированной электромеханоим-пульсной обработки [Текст] / Эдигаров В. Р., Дегтярь В. В., Ушнурцев С. В., Новиков П. Д. [и др.] ; заявитель и патентообладатель Эдигаров В. Р. — № 2013105500/02 ; заявл. 08.02.2013 ; опубл. 27.09.2013, Бюл. № 27.

6. Матлин, М. М. Особенности формирования упрочненного слоя при электромеханической обработке с динамическим силовым воздействием [Текст] / М. М. Матлин, Н. Г. Дудкина, А. Д. Дудкин // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2007. — № 6 (30). — С. 38 — 41.

ЭДИГАРОВ Вячеслав Робертович, кандидат технических наук, доцент (Россия), начальник кафедры двигателей.

ЛИТАУ Евгений Викторович, преподаватель кафедры двигателей.

МАЛЫЙ Вячеслав Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры эксплуатации бронетанковой и автомобильной техники. Адрес для переписки: edigarovs@mail.ru

Статья поступила в редакцию 05.12.2014 г. © В. Р. Эдигаров, Е. В. Литау, В. В. Малый

Книжная полка

621.74/Д79

Дубровин, В. К. Технологические процессы литья : учеб. пособие / В. К. Дубровин. - Челябинск : Из-дат. центр ЮУрГУ, 2013. - 193 c. - ISBN 978-5-696-04513-9.

В учебном пособии приведены практические рекомендации по разработке технологического процесса изготовления отливок в разовые формы, выдержки из применяемых стандартов и необходимый справочный материал, варианты заданий для самостоятельной работы и пример ее выполнения. Учебное пособие является руководством к выполнению выпускной квалификационной работы бакалавров, практических, курсовых работ и проектов магистров по направлению 150400 «Металлургия». Пособие также может быть полезно для инженерно-технических работников литейного производства.

621.791/Т33

Теоретические основы электродуговой и газовой сварки : учеб. пособие / Ред. Г. В. Конюшков. - Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т, 2013. - 63 c. - ISBN 978-5-7433-2661-7.

В учебном пособии рассмотрены особенности сварных соединений основными способами сварки плавлением: электрической дугой с ее разновидностями и газовой. Рассмотрены теоретические основы этих методов сварки. Даны краткие рекомендации по выбору параметров режимов. Учебное пособие предназначено для бакалавров-инженеров и магистров, обучающихся по направлению 150700 «Машиностроение» в соответствии с профилем «Оборудование и технология сварочного производства» очного, заочного и ускоренного обучения. Может быть полезно для бакалавров и магистров, обучающихся по другим направлениям: приборостроение, общее, энергетическое, транспортное, химическое машиностроение, производство металлоконструкций и нефтегазовых трубопроводов. Пособие заинтересует конструкторов и технологов, занимающихся проектированием и производством сварных конструкций в других отраслях техники. Учебное пособие позволит будущим специалистам сварочного производства подойти квалифицированно к пониманию и применению сварки при разработке технологии изготовления изделий в самых различных отраслях техники.