Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технологических приемов для получения прецизионных сопрягаемых поверхностей
1.1 .Механическая чистовая обработка. 12
1.2. Электроэрозионная прецизионная обработка. 42
1.3. Электрохимическая обработка неподвижными электродами 49
1.4.Комбинированные методы обработки сопрягаемых поверхностей Анализ состояния вопроса и задачи исследований 64
Глава 2. Разработка путей и методов получения качественных беззазорных сопрягаемых деталей
2.1 Научные гипотезы. 66
2.2 Обоснование выбора объектов исследования
2.3. Оборудование для экспериментальных и опытно-промышленных работ .
2.4. Методика проведения многофакторного эксперимента 78
2.5. Выбор рабочих сред и гидродинамических режимов 79
2.6.. Порядок проведения экспериментов 80
Выводы 81
Глава 3. Механизм безабразивной доводки сопрягаемых поверхностей
3.1.Формирование микро и наногеометрии безабразивной чистовой обработки в электрическом поле.
3.2. Особенности безабразивной обработки электрическими методами сопрягаемых механических деталей .
3.3.Математическое описание и проектирование режимов процесса безабразивной чистовой обработки.
3.4.Трудоемкость доводочных операций 108
Выводы 109
Глава 4. Реализация методов и средств технологического процесса комбинированной безабразивной доводки поверхностей с наложением электрического поля
4.1 .Новые способы и устройства 110
4.2.Особенности формирования параметров процесса безабразивной доводки сопрягаемых поверхностей
4.3.Специфика выбора и расчета режимов обработки сопрягаемых поверхностей
4.4. Проектирование технологического процесса 128
4.5.Эксплуатационные характеристики сопрягаемых деталей 132
4.6. Перспективы использования материалов работы в машиностроении
Выводы 135
Основные результаты и выводы по работе 137
Список литературы
- Электрохимическая обработка неподвижными электродами
- Оборудование для экспериментальных и опытно-промышленных работ
- Особенности безабразивной обработки электрическими методами сопрягаемых механических деталей
- Проектирование технологического процесса
Электрохимическая обработка неподвижными электродами
Этапы, приведенные в таблице 1.8 имеют много общего с применяемыми для комбинированного процесса, что будет учтено в разрабатываемом способе доводки сопрягаемых поверхностей.
В [56] указывается, что способ полировки обеспечивает получение неровностей 25 нм (0,025 мкм) и неплоскостность около 1 мкм. Там же рассматривается (таблица 1.9) полирование плоских поверхностей лепестковыми кругами, которые при комбинированной притирке могут обеспечить активнуюдепассивацию зоны обработки.
Этапом тонкой обработки является абразивная доводка, [122], которая дает возможность получить неровности Rz = 0,05 - 0,01 мкм (10 нм) и неплоскостность 50 - 300 нм. Здесь также имеет место обработка пастами, суспензиями, шаржированным инструментом с мелким зерном (Ml - МЗ для тонкой доводки).
Особенностью доводки является необходимость селекции заготовок на этапах этого процесса: - после предварительного этапа обеспечиваются или используются в качестве заготовки поверхности с шероховатостью в диапазоне Ra = 0,08 -0,16 мкм, погрешностью 3-5 мкм. Припуск на обработку составляет 20 - 50 мкм; - получистовая доводка имеет соответственно шероховатость Ra = 0,16 - 0,08 мкм; погрешность 1-2 мкм; припуск 5-15 мкм; - чистовая доводка, соответственно,Ra = 0,08 - 0,02 мм; погрешность 0,5 - 1 мкм; припуск 2-5 мкм; - тонкая доводка - Ra = 0,02 - 0,0015 мкм; погрешность 0,01 - 0,5 мкм, припуск 0,2-1 мкм. Операцию выполняют с использованием суспензий, паст, мелкозернистых кругов, притиров из ферритовых чугунов с шаржированием их порошками с зернистостью Ml - МЗ, а так же притирами из оптического стекла (для цветных сплавов).
Процессом доводки управляют через следующие воздействия: - технологические качественные факторы, такие как вид абразива и рабочей жидкости, абразивной суспензии, материал притира и заготовки, состояние их поверхностных слоев; - технологические: зернистость абразива, давление притира, твердость материала притира и заготовки, соотношение жидкой и твердых составляющих абразивной суспензии; - кинематические: соотношения угловых скоростей и линейных размеров звеньев исполнительного механизма, определяющие траекторию и изменение скорости движения заготовки по притиру; - динамические: изменение силы воздействия заготовки на притир, действующей в плоскости, касательной к поверхности контакта заготовки; - геометрические: точность формы рабочей поверхности притира и заготовок, разброс размеров заготовок в партии перед доводкой, форма и размеры канавок на рабочей поверхности притира, расположение осей притира в последних, а также соотношение линейных размеров обрабатываемых поверхностей заготовок и притира.
При проектировании технологического процесса доводки следует учитывать следующие особенности: - необходимо обоснованно назначить направления и величину сил сопротивления, прижима; -сила сопротивления должна быть направлена касательно к поверхности заготовки в направлении, противоположном вектору скорости движения инструмента; - показатели поверхностного слоя зависят от величины импульсных силовых воздействий; - при двусторонней доводке происходит изнашивание контактных поверхностей не только заготовки, но и инструмента. в процессе приработки имеются стадии, влияющие на технологические показатели доводки, где вначале носителем геометрии заготовки является притир, а припуск должен удаляться с обеих сопрягаемых поверхностей до сближения границ зоны обработки на величину допуска на размер; -считают, что доводка обеспечивает получение единых технологических показателей на всех участках обработки (качество поверхностного слоя, точность, стойкость инструмента и др.); - движение абразивных зерен происходит с переменной скоростью относительно заготовки и оценивается осредненной величиной; - износ притира (инструмента) и удаление припуска с заготовки взаимосвязаны и учитываются на каждом этапе проектируемого технологического процесса. снижение трудоемкости доводочных операций может быть достигнуто за счет автоматизации процесса обработки, контроля и управления, снижения времени подготовительных операций и вспомогательного времени.
Рабочие поверхности прецизионных деталей после предварительной обработки поступают на операции точного формообразования, при выполнении которых им сообщают требуемую точность и чистоту, а заготовке -окончательные размеры.
Тонкое шлифование алмазным инструментом обеспечивает получение точных поверхностей, подготовленных к полированию, и поэтому характеризующихся низкой шероховатостью и высокой точностью, что позволяет сократить время доводки сопрягаемых поверхностей. Особенностью тонкого алмазного шлифования является возможность ограничиться двумя переходами - грубого и тонкого для получения поверхностей с низкой шероховатостью. Эти преимущества позволяют значительно сократить продолжительность финишного этапа обработки деталей.
К инструменту для тонкого шлифования предъявляются высокие требования по чистоте и однородности алмазных и металлических (или других) порошков, образующих алмазный слой. Алмазоносный слой инструмента для тонкого шлифования отличается тем, что при его изготовлении применяются микропорошки в форме таблеток из синтетических алмазов, зернистость которых зависит от обрабатываемого материала.
Оборудование для экспериментальных и опытно-промышленных работ
Этот режим устанавливают обычно по результатам экспериментов и поддерживают его, сохраняя параметры процесса, в частности усилие прижима инструмента к заготовке.
Если используется схема обработки с электронейтральным инструментом, то скорость съема по формуле (1.11) определяется двумя составляющими. Электрическая эрозия здесь не возникает. Однако и в этом случае сказывается эффект взаимного положительного влияния шлифования и анодного растворения, в результате которого суммарная скорость съема металла значительно превышает сумму отдельных составляющих, взятых без учета такого влияния.
При подаче в зону обработки свободного абразива процесс протекает так же, как при закрепленном зерне. Однако здесь сложно поддерживать постоянную концентрацию зерен в межэлектродном пространстве и съем материала за счет механического шлифования нестабилен. Это влияет на составляющую СЬ в формуле (1.11) и процесс становится трудно управляемым. Чтобы избежать коротких замыканий, вызывающих прижоги поверхности, обработку свободным абразивом обычно ведут при пониженных напряжениях (U 10 В).
В случае подачи наполнителя струей электролита расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности может достигать десятков миллиметров, поэтому напряжение на электродах повышают до U=60...80 В. Ускорение съема припуска с заготовки происходит за счет удаления пассивирующей пленки и интенсификации анодного растворения. При использовании металлических наполнителей достаточно больших размеров удается повысить электропроводность электролита, что также способствует ускорению съема металла.
При анодно-абразивном полировании припуск удаляется либо анодным растворением металла и съемом абразивным зерном, либо только растворением. В первом случае инструмент содержит связанный или свободный абразивный порошок, во втором — в качестве инструмента используют деревянные или пластмассовые бруски, расположенные между металлическими электродами-инструментами. В последнем варианте скорость съема определяется только анодным растворением, а бруски способствуют механическому удалению пассивирующей пленки.
Производительность анодно-абразивной обработки с применением связанного электропроводного абразива во многом зависит от скорости замены изношенных зерен свежими. Для этого требуется регулировать износ абразивного инструмента. В одних случаях это можно осуществить за счет составляющей СЬсъема металла (см. формулу (1.11)). Абразивный инструмент, как и электрод-инструмент, при электроэрозионной обработке под действием разрядов частично разрушается, обнажая свежие режущие зерна. Для разных обрабатываемых материалов интенсивность износа инструмента различная, поэтому экспериментально подбирают или теоретически рассчитывают такое напряжение на электродах и такое давление инструмента на заготовку, чтобы получить наибольшую производительность при минимальном расходе кругов или брусков.
При обработке вязких сплавов на инструмент налипают частицы обрабатываемого материала, что препятствует срезанию стружки. Налипание вызывает местные прижоги на заготовке и ухудшает точность обработки. Чтобы устранить этот недостаток, на электроды подают напряжение обратной полярности, т. е. заготовку подключают к отрицательному полюсу. Происходит анодное растворение инструмента, и налипший металл полностью удаляется. Применяют также схемы правки с разнесением зон обработки и правки.
Комбинированный метод электроэрозионно-химической обработки представляет сочетание двух процессов, которые оказывают взаимное влияние друг на друга, значительно повышая производительность и снижая износ инструмента. Исследования показывают, что при каждом импульсе последовательно осуществляется сначала анодное растворение, а затем электрическая эрозия металла. Скорость съема определяется зависимостью [126] Q = Qi + Оз, где Qi— скорость съема металла за счет анодного растворения, Q3 — скорость съема за счет эрозии.
Процесс анодного растворения создает хорошие условия для пробоя промежутка, так как на катоде-инструменте имеется парогазовый слой. Эрозия обрабатываемой поверхности, в свою очередь, способствует удалению пассивирующей пленки, значительно ускоряет диффузию и вынос продуктов обработки. Процесс наиболее эффективен при благоприятных условиях удаления продуктов обработки: малой площади рабочей поверхности электрода-инструмента, небольшом размере углубления. Так, при прошивании отверстий скорость подачи электродов после углубления на несколько миллиметров снижается в несколько раз.
Электрическая эрозия сильно сказывается на размерах шероховатости поверхности. На ней возникают углубления, которые несколько сглаживаются анодным растворением, но качество обработки все же хуже, чем при ЭХО. Износ электрода-инструмента от воздействия эрозии может быть снижен, если изготовлять его из эрозионностойких материалов (графита, вольфрама). Энергоемкость такого метода значительно ниже, чем электроэрозионного. Это объясняется лучшими условиями протекания процесса и за счет этого снижением числа разрядов, не производящих удаления металла.
Анализ состояния вопроса и задачи исследований: .Механическая притирка сопрягаемых деталей с использованием абразивных паст получила наибольшее распространение, т.к. не требует сложного оборудования, обеспечивает высокие технико-экономические показатели процесса. Но в случае применения этого метода для запорных устройств, работающих в условиях интенсивных течений агрессивных сред, их надежность и ресурс снижается. Поэтому требуется обоснование, поиск и создание принципиально новых способов чистовой притирки металлических контактных поверхностей, исключающих применение абразивных сред. Для этого необходимо установить связи между характеристиками поверхностного слоя сопрягаемых деталей с режимами комбинированной обработки, обеспечивающими технологические показатели не ниже, чем при традиционных методах притирки.
Особенности безабразивной обработки электрическими методами сопрягаемых механических деталей
В среде слабопроводящей жидкости (5) при сближении деталей 1 и 2 до контакта окисных пленок 3 и 4 происходит электроэрозионныймикросъем до границ 1-І и П-П, которые могут обеспечить сопряжение деталей на наноуровне точности. Известно [126], что при комбинированной обработке съем происходит преимущественно с анода. Если исходная шероховатость и погрешность одной из сопрягаемых поверхностей значительно больше другой, то можно выполнять доводку на полярности, при которой первая поверхность постоянно будет анодом, а съем с другой поверхности может происходить за счет обратной полуволны тока. Однако в большинстве случаев доводки предусматриваются припуски на обе сопрягаемые детали, поэтому полярность тока периодически меняют переключателем 7.
Границы окисной пленки (А-А и Б-Б) изменяют положение зоны контакта сопрягаемых деталей, где прижим регулируется давлением Р. В зависимости от сжатия деталей 1 и 2 толщина пленки в местах контакта уменьшается. Здесь падает сопротивление и происходит повышенный съем неровностей за счет электроэрозионной составляющей процесса. Одновременно происходит анодное растворение микровыступов током от источника постоянного тока 8. Для обеспечения непрерывности процесса доводки и периодической замены рабочей среды детали 1 и 2 перемещают со скоростью «V».
Под действием электрических разрядов на поверхности сопрягаемых деталей возникают неровности в форме сферических лунок (рисунок 3.7). Rz - высота микронеровности после серии эрозионных разрядов; Rzo - высота неровностей в конце первого этапа обработки Цг- диаметр лунки
Часть из них позволяет удалять геометрические погрешности профиля, другие формируют микронеровности, определяющие чистоту поверхности (Rz на рисунке 3.7, б). Электрохимическая составляющая комбинированного процесса способствует (рисунок 3.7, б) сглаживанию микропрофиля и снижению неровностей до наноуровня (на окончательном этапе доводки). Как показано в [106]соотношение между диаметром (ал) и глубиной (h на рисунке 3.7, а) зависит от режимов обработки. При этом глубина (h) определяет запас жидкой рабочей среды (рисунок 3.6) и длительность протекания анодного процесса, регулируемого скоростью перемещения сопрягаемых деталей. На втором этапе доводки используется только анодное растворение при низком знакопеременном напряжении от источника 8 (рисунок 3.6) с преимущественным удалением мест сопряжения лунок, образовавшихся после первого этапа обработки (рисунок 3.7). Затем формируется поверхность с точностью и микронеровностями на наноуровне. Механическая депассивация зоны обработки и низкое напряжение от источника тока позволяют избежать межкристаллитного растравления зоны обработки.
Расчет параметров микропрофиля при электроэрозионной чистовой обработки В [106] предложена зависимость для оценки диаметра зоны действия разряда, который для чистовой электроэрозионной обработки может быть аппроксимирован диаметром лунки сіл (рисунок 3.8) где L, Ко, m, n - эмпирические коэффициенты; S - межэлектродный зазор, измеряемый толщиной окисной пленки; Аи - энергия импульса. Для RC схемы Аи = г]х (гц- коэффициент полезного использования энергии; по [106] гі 0,4, по [101] ті 0,2); С - емкость конденсаторов импульсного генератора RC схемы. U - напряжение на электродах. При сверхмалых зазорах U = 10 - 20 В). ти - длительность импульса. Tu = : (3.3) где q - скважность импульсов, принимаемая как отношение периода повторения к их длительности. Изменяется в диапазоне 2-10 (уточняется экспериментально); f - частота следования импульсов. Приближенно f = 0,837/RC. Здесь R - регулируемое сопротивление RC - генератора.
Для определения энергии импульса необходимо установить величину минимального межэлектродного зазора, который зависит от толщины окисной пленки. По [101] такие пленки образуются под действием тока и представляют из себя материалы, близкие к полупроводникам. Толщина пленки (Н) зависит от свойств обрабатываемого материала и в классическом понимании выражается через энергию разряда (Аи), постоянную Больцмана R и температуру (Т). Н=Кн.е- г.ты, (3.4) где Кн - размерный коэффициент, учитывающий скорость нарастания пленки в зависимости от свойств материала.
Предельная толщина окисных пленок для никелесодержащих сплавов составляет по [101] до 15-30 нм, а у титановых материалов - до 50-60 нм. Следовательно межэлектродный зазор (S) будет близким к этим величинам для получения пробоя импульса достаточно напряжения даже менее 10 В. Осциллографирование показало, что при таких напряжениях возможно появление тлеющих разрядов, не вызывающих образования лунки. Поэтому взаимное перемещение сопрягаемых поверхностей под давлением сжатия позволяет утонить пленку и получить локальные участки проводимости, где могут формироваться микроразряды.
По глубине лунки можно установить величину Rz (рисунок 3.7), на оценку который влияет анодная составляющая процесса (рисунок 3.6), и появление в пространстве между сопрягаемыми поверхностями нано и микрочастиц материала обрабатываемого электроэрозионным методом (рисунок 3.8). Степень их накопления зависит от площади сопрягаемых участков, скорости перемещения контактных элементов, режимов эрозионной обработки.
Анодное растворение (рисунок 3.6) способствует выравниванию микроповерхности на чистовых режимах комбинированного процесса, позволяет снизить высоту неровностей на 20-30%, что может быть учтено коэффициентом К2=0,7-0,8.
Величина Rz0, полученная без учета влияния частиц и анодной составляющей комбинированного процесса (рисунок 3.7, б), может быть вычислена по формуле, аналогичной приведенной в [56]
Проектирование технологического процесса
На рисунок 4.10 уменьшение емкости конденсаторов (кривая 1) позволяет снизить шероховатость до Rz = 1,5 - 2 мкм, но обеспечить требования к чистовой доводке не удается.
Комбинированная обработка (кривая 4) дает возможность улучшить показатели по высоте микронеровностей. При длительности воздействия поля с преимущественным применением анодного воздействия позволяет в течение нескольких часов удается получить Rz 1 мкм, что отвечает техническому заданию для запорных устройств с твердосплавной наплавкой рабочих частей. Здесь необходимо использовать механическую депассивацию путем взаимного перемещения электродов с линейной скоростью более 0,5 - 1 м/с, что позволяет исключить принудительную прокачку рабочей среды.
Длительный (в течение нескольких часов) процесс доводки на низковольтном токе со сменой полюсов (3 на рисунке 4.10) снижает высоту неровностей стальных сопрягаемых поверхностей до уровня окончательной механической притирки (Rz = 0,3 - 0,4 мкм), что обеспечивает заданные требования к запорному узлу.
Обычно используют многоступенчатую чистовую безабразивную доводку, где на первом этапе выполняют приработку сопрягаемых поверхностей, например, на режиме чистовой обработки (1 на рисунке 4.11)
Если запорные элементы выполнены из различных материалов или один из них имеет упрочняющую наплавку, то припуск на доводку (а следовательно время анодного удаления припуска путем смены полярности) назначают обратно пропорциональным их обрабатываемости с наложением электрического поля.
Учитывая различную длительность доводки с целью получения требуемого профиля сопрягаемых поверхностей (рисунок 4.11), характеризующего точность обработки, и время, необходимое для достижения параметров микронеровностей чистовой доводки (рисунок 4.10), следует в качестве параметра этого процесса использовать период обработки, обеспечивающий заданную шероховатость сопрягаемых деталей.
Как показано в предшествующих материалах работы для доводочных операций необходимо применять безабразивную обработку сопрягаемых поверхностей. Здесь существенные преимущества имеют бесконтактные методы с наложением электрического поля (раздел 4.3).
В ряде случаев для стадии предварительной обработки могут использоваться технологические процессы шлифования со свободным и связанным абразивом. Возникающее при этом шаржирование гарантированно устраняется на последующих технологических операциях чистовой и окончательной (если это требуется) доводки.
При проектировании технологического процесса доводки (рисунок 4.12) по техническим требованиям к детали устанавливают величину шероховатости и по ней назначают конечный этап доводки, припуск на операцию. Погрешность профиля сопрягаемых деталях регламентируется мерой соприкосновения поверхностей (рисунок 4.11) и, как правило, оценивается только выборочно по результатам контрольных измерений небольшой выборки сопрягаемых деталей.
При проектировании технологического процесса изготовления сопрягаемых деталей следует назначать режимы, рекомендованные в разделе 4.3 работы.
В процессе построения алгоритма (рисунок 4.12) необходимо учитывать серийность выпуска сопрягаемых изделий, уровень оснащенности производства технологическими средствами, кадрами требуемой квалификаций, совершенство организационной структуры предприятия. Приведенный на рисунке 4.12 процесс включает несколько основных этапов: 1. Обоснование выбора этапов доводки. В основу этого этапа положены требования из чертежа деталей по критерию требуемой шероховатости. Здесь в качестве этапа предварительной обработки может быть назначено шлифование, обеспечивающее шероховатость Ra = 0,63 -0,32 мкм. Это позволяет сократить трудоемкость предварительного этапа безабразивной доводки и ускорить получение сопряжения деталей. В результате этого этапа намечают минимально необходимое количество этапов доводки для конкретных сопрягаемых деталей. 2. Выбор вида обработки ограничением выбора вида обработки служат характеристики материала деталей. Если используется диэлектрик, то доводку необходимо осуществлять методами без наложения электрического поля. Особое место занимают сопрягаемые детали запорных устройств, имеющие покрытия, чаще всего наплавки износостойким материалом (например твердым сплавом). Здесь требуется применять специальные рабочие среды и чистовые режимы, рекомендации о которых приведены в разделе 4.3. 3. Оценка результатов применения предлагаемой технологии доводки и контроль сопрягаемых деталей на соответствие требованиям чертежа. 4. Обоснование соответствия получаемых деталей условиям эксплуатации (оценка работоспособности, достижение заданного ресурса и ДР) В условиях эксплуатации детали запорных устройств подвергаются статическим ударным мало- и многоцикловым воздействиям, интенсивному изнашиванию контактных поверхностей за счет истирания, химическому разрушению.
Для использования запорных устройств в магистральных трубопроводах с перекачкой химически активных сред необходимо обеспечить на сопрягаемых деталях (как правило из нержавеющих и высоколегированных сталей с химико -термическим упрочнением) качественный поверхностный слой, который зависит от метода обработки.
Исследования, проведенные в [98], дают достаточно полную картину формирования поверхностного слоя при чистовой электроэрозионной обработке на финишных режимах. Здесь не нарушается качество покрытия (на базе твердого сплава) и возникает микродефектов на контактной поверхности.
Достаточно детальные исследования проведены в [99] и [109] по изучению качества поверхностного слоя после электрохимической размерной (ЭХО) и комбинированной обработки (КО).
