Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 10
1.1. Физические основы процесса электроискрового легирования 10
1.1.1. Принципиальная схема процесса эил. 10
1.1.2. Модель процесса эил б.р.назаренко и н.и.лазаренко 12
1.1.3. Обобщённая модель процесса эила.д. Верхотурова 13
1.2 эрозия материалов электродов 18
1.3. Формирование изменённого поверхностного слоя (ипс) при эил ... 24
1.4. Формирование многослойных покрытий 29
1.5. Физико-химические свойства легированного слоя 32
1.6. Электродные материалы используемые для эил 36
1.7. Оборудование для эил 38
1.8. Постановка цели и задач исследования 42
ГЛАВА 2 Методика, оборудование и материалы 47
2.1. Получение электродных материалов 47
2.2. Используемые материалы и технологические образцы 50
2.3. Метрологическое, металлографическое, триботехническое, термогравиметрическое и оборудование для рентгенофазового анализа 52
2.4. Оборудование используемое при электроискровом легировании 53
2.5. Разработка функциональной и электрической схемы генератора импульсов установки им101 53
2.5.1. Разработка блок-схемы генератора 54
2.5.2. Описание работы электроискрового генератора импульсов 59
2.5.3. Конструктивная проработка и результаты испытания генератора 63
2.6. Определение вольт-амперных характеристик установок эил. Методика расчета энергетических параметров процесса эил 64
2.7. Методика исследования эрозии электродов и изменения массы катода 68
ГЛАВА 3. Исследование кинетики массопереноса, формирования легированного слоя и его свойств при эил материалами, полученными из минерального сырья дальневосточного региона 70
3.1. Исследование кинетики массопереноса при выполнении процесса эил 70
3.2. Характеристики образуемых покрытий, исследование на износ и жаростойкость 76
3.3. Выводы
ГЛАВА 4. Исследование энергетических и технологических параметров механизированного процесса эил 85
4.1. Расчет технологических режимов процесса эил для механизированной установки с одноэлектродной вращающейся головкой 85
4.2. Исследование кинетики массопереноса в зависимости от энергетических параметров механизированного процесса эил 92
4.3. Исследование влияния технологических параметров механизированного процесса эил на образование износостойких покрытий 96
4.4. Выводы 102
ГЛАВА 5. Закономерности формирования измененного поверхностного слоя методом эил 104
5.1. Обоснование выбора уравнения регрессии для описания закономерности массопереноса 104
5.2. Анализ адекватности закономерности полученным экспериментальным данным 109
5.3.Выводы 113
ГЛАВА 6. Формирование многослойных покрытий, разработка и внедрение технологических процессов . 115
6.1. Анализ рекомендаций и основные предпосылки по выбору сочетаний электродных материалов и их чередованию 115
6.2. Физико-химические основы подбора электродных материалов для формирования многослойных покрытий методом эил 126
6.3. Исследование массопереноса материала анода на катод при формировании многослойных покрытий 130
6.4. Разработка схемы процесса эил при формировании многослойных покрытий 134
6.5. Рекомендации при разработке технологических процессов нанесения износостойких покрытий и восстановления деталей машин при эил.. 137
6.6. Разработка технологических процессов нанесения износостойких покрытий и восстановления деталей машин методом эил 140
6.6.1. Особенности износа рабочих поверхностей деталей 140
6.6.2. Особенности технологии изготовления деталей и условия работы 140
6.6.3. Технология восстановления и упрочнения изношенных поверхностей деталей методом ЭИЛ J 43
6.7. Выводы 144
Основные результаты и выводы 146
Список литературы 148
Приложения 167
- Формирование изменённого поверхностного слоя (ипс) при эил
- Определение вольт-амперных характеристик установок эил. Методика расчета энергетических параметров процесса эил
- Исследование кинетики массопереноса в зависимости от энергетических параметров механизированного процесса эил
- Исследование массопереноса материала анода на катод при формировании многослойных покрытий
Введение к работе
Актуальность темы. Достижение высокой износостойкости и жаростойкости рабочих поверхностей деталей и инструментов является актуальной проблемой, которая может быть решена развитием и внедрением в производство новейших методов упрочнения путем изменения физико-химических свойств рабочих поверхностей деталей.
Одним из методов формирования функциональных покрытий на металлических поверхностях является электроискровое легирование (ЭИЛ), разработанное российскими учеными Б.Р. Назаренко и Н.И. Лазаренко. Метод ЭИЛ основан на действии низковольтных электрических разрядов между двумя электродами в газовой среде, при этом осуществляется эрозия материала анода, его перенос, диффузия, образование на катоде измененного поверхностного слоя (ИПС). Значительное улучшение эксплуатационных свойств деталей обеспечивается правильным выбором состава, структуры электродных материалов, а также параметров технологического процесса. Взаимосвязь явлений на аноде и катоде с эксплуатационными свойствами покрытия, а также критерии выбора электродных материалов обобщены и систематизированы в трудах Г.В. Самсо-нова и А.Д. Верхотурова. Вместе с тем, проблемы получения и использования новых электродных материалов для образования качественных электроискровых покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками не исчерпаны.
Благодаря возможности нанесения на обрабатываемую поверхность любых токопроводящих материалов, как чистых металлов, так и сплавов и металл оке-рами ческих композиций, участию элементов межэлектродной среды в процессе формирования покрытий, высокой прочности сцепления нанесенного материала с основой, методом ЭИЛ возможно в широких пределах изменять механические, теплофизические, электрические и другие свойства рабочих поверхностей. К достоинствам этого метода относится: незначительный нагрев детали в процессе обработки и отсутствие ее деформации, простота и надежность оборудования, низкая энергоёмкость процесса и простота осуществления технологических операций.
Однако, метод электроискрового легирования обладает и рядом недостатков, таких, как относительно малая и неравномерная толщина формируемого слоя, его пористость, шероховатость, невысокая производительность процесса, а также преимущественное использование дорогих электродных материалов -твердых сплавов, обладающих низкой эрозионной способностью.
Эти проблемы частично решаются в работе следующими путями: созданием и применением новых эффективных электродных материалов; формированием многослойных покрытий; разработкой и применением новой конструкции установки ЭИЛ.
Большое внимание изучению явлений, происходящих в процессе электроискрового легирования, теоретическим вопросам механизма электрической эрозии, практической реализации способа уделено в исследованиях Б.Р. Лаза-ренко, Н.И. Лазаренко [4, 8, 41], Б.Н. Золотых, [9, 10, 156] , И.Г. Некрашевича, И.А. Бакуто [11,12], Г.П. Иванова [54], А.Д. Верхотурова [17, 155] СП. Фурсова [176], В.В. Михайлова [15] и других авторов [13, 21, 143, 153]. Однако, изучение и практическое применение в большинстве случаев процесса легирования с ручным вибратором, направленного в основном на упрочнение режущего инструмента, осуществлялось на несовершенном оборудовании с нестабилизи-рованными параметрами. Наметившаяся в последние годы тенденция механизации процесса ЭИЛ позволяет расширить возможности этого метода, более эффективно использовать влияние электрических и технологических характеристик установок на основные параметры процесса и определять их степень значимости. Проблема создания оборудования, обеспечивающего выполнение механизированного процесса электроискрового легирования, остается актуальной.
Исследования проводились с 1993 по 2000 гг. в Институте материаловедения ХНЦ ДВО РАН. В 1990-1997 годах выполнялись научно-исследовательские работы по программе ГКНТП 06.01.05 по теме: "Разработка новых технологий нанесения защитных и упрочняющих покрытий, восстановление деталей машин и механизмов на основе комплексного использования минерального сырья
Дальневосточного региона". В 1996-2000 гг. работы проводились по теме: "Разработка научных основ и высоких технологий создания покрытий методом электроискрового легирования" (№ гос. регистрации 01.9.60.001426).
Цель работы. Исследование процесса формирования функциональных покрытий с повышенными эксплуатационными характеристиками методом ЗИЛ электродными материалами, в том числе полученными из вольфрамсо-держащего минерального сырья, с разработкой оборудования, технологии упрочнения и восстановления рабочих поверхностей деталей машин.
Для достижения поставленной цели последовательно решались задачи:
1. Исследование зависимости массопереноса, формирования ИПС элек
тродными материалами, в том числе полученными из минерального сырья, от
энергетических параметров процесса ЗИЛ.
2. Определение взаимосвязи механических и энергетических параметров
процесса при механизированном ЗИЛ, а также создание универсальной конст
рукции установки для ЗИЛ с расширенными технологическими возможностями
работы в механизированном режиме.
3. Разработка технологических основ формирования многослойных по
крытий, правил подбора и использования электродных материалов с учетом
физико-химических свойств компонентов и заданных эксплуатационных требо
ваний.
Научная новизна работы.
Определены зависимости массопереноса, формирования структуры легированного слоя и его свойств новыми электродными материалами, полученными из минерального сырья ДВ региона, от суммарной величины энергии искровых разрядов Q, позволяющие установить границы окончания процесса ЗИЛ при значении энергии QM=0,5-0,7Qxc учетом эффективности затрачиваемой энергии SAVQx и себестоимости процесса QJXAKK
Предложен параметр А экспоненциально-степенной зависимости массопереноса от суммарной величины энергии искровых разрядов
7 2ЛК =AQb-exp(cQ) для оценки предпочтительности выбора материалов электродов, наравне с критерием Д„, предложенного Верхотуровым А.Д.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена взаимосвязь механических и энергетических параметров механизированного процесса ЭИЛ с учетом равномерности расположения электроискровых лунок; с уменьшением продольной подачи, увеличением частоты вращения детали и диаметра детали необходимо увеличивать и частоту следования искровых разрядов с целью обеспечения сплошности и равномерности толщины образуемых покрытий.
Уточнены требования, предъявляемые к материалам электродов для формирования покрытий толщиной более 200 мкм, с учетом не только высокой коррозионной стойкости электродного материала в условиях повышенных температур и образования с материалом основы неограниченных твердых растворов, но и формирования фаз внедрения при образовании химических соединений, а также определен критерий выбора последовательности применения электродных материалов при образовании многослойных покрытий с учетом параметра А, предложенной экспоненциально-степенной зависимости - А*>А2 (индексы -порядок применения материалов).
Практическая значимость работы. Проведенные исследования способствуют дальнейшему развитию метода электроискрового легирования. Полученные закономерности массопереноса от суммарной величины энергии искровых разрядов и разработанные рекомендации по выбору электродных материалов позволяют прогнозировать состав и толщину покрытий в реальных технологических процессах.
На Хабаровском станкостроительном заводе с использованием новых электродных материалов внедрены технологические процессы упрочнения режущих инструментов, обеспечивающие повышение долговечности работы резцов, сверл, метчиков в 2-3 раза, ножей фрез для деревообработки в 5-7 раз. Годовой экономический эффект от внедрения составил 1500 тыс. рублей (в ценах 1996 года)
В НІШ «Булат», г. Хабаровск проведены производственные испытания восстановленных и упрочненных рабочих поверхностей деталей машин: валов турбонагнетателей и винтовых насосов. Увеличение срока службы данных деталей в среднем на 50%.
В дорожных электротехнических мастерских ст. Вяземская Хабаровского края создан участок механизированного ЭИЛ на основе разработанной высокочастотной установки ИМ-101. Экономическая эффективность от внедрения составляет 30 тыс. рублей в год (в ценах 2000 года) при односменной работе участка.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Зависимость массопереноса от суммарной величины энергии искровых разрядов, изменяющаяся по экспоненциально-степенному закону.
Результаты исследования зависимости массопереноса, формирования ИПС электродными материалами, полученными из вольфрамсодержащего минерального сырья, подтверждающие целесообразность использования данных материалов для повышения эксплуатационных характеристик покрытий.
Методика определения технологических параметров при механизированном ЭИЛ с использованием новой высокочастотной установки мод. ИМ-101, позволяющая повысить сплошность и равномерность толщины образуемых покрытий.
Результаты исследования физико-механических свойств многослойных покрытий в зависимости от электродных материалов, последовательности их применения и энергетических параметров процесса ЭИЛ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 работах и докладывались на: региональной научно-технической конференции по итогам выполнения МРНТП «Дальний восток России» за 1993-1996г. г.Комсомольск-на-Амуре, 1996, межвузовской научной конференции "Интелектуальный потенциал Сибири", г. Новосибирск. 1997, международных симпозиумах «Принципы и процессы создания неорганических материалов». Хабаровск, 1998,2002.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту, заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Верхоту-рову Анатолию Демьяновичу за оказанную помощь в постановке задач исследования, за консультации при написании и представлении данной работы к защите, а также признательность за оказанную помощь в проведении экспериментов и содействии к представлению диссертации к защите всему коллективу Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН.
Отдельное спасибо за ценные замечания по данной работе д.т.н., проф. В.А.Киму, д.х.н., проф. В.Л.Бутуханову, к.т.н. С.Н.Николенко, к.х.н НВ.Лебуховой., к.ф-м.н. С.А.Пячину, к.т.н. Т.Б.Ершовой, к.ф-м.н. Б.Я.Маслову, к.т.н. А.Н.Вишневскому, к.т.н. С.В.Коваленко, а также Л.ГГ.Метлицкой, Л.А.Климовой, Н.М.Потаповой, В.В.Гостищеву, В.М.Кочеву, В.Н.Брую, Д.Л.Ягодзинскому, А.С.Масленко,.
Формирование изменённого поверхностного слоя (ипс) при эил
При выполнении процесса ЭИЛ последовательным локальным воздействием импульсных разрядов на участках обрабатываемой поверхности формируется измененный поверхностный слой (ИПС). Формирование ИПС является заключительным этапом динамичного процесса ЭИЛ, при котором в едином цикле происходит пробой МЭП, эрозия и перенос материала анода на катод при перемещении электродов. Исследования этапов эрозии анода и образования слоя на катоде при различных условиях обработки впервые детально были выполнены Н.И.Лазаренко [3, 68, 41]. Установлено, что качественные и количественные характеристики образуемого поверхностного слоя в процессе ЭИЛ зависят от многих факторов. Наибольшее влияние оказывают характеристики импульсных разрядов, длительность обработки, природа материала электродов, среда в МЭП, вид движения анода. Даны практические рекомендации: 1. В процессе ЭИЛ привес катода изменяется нелинейно, особенно на жестких (грубых) режимах (рис. 1.3); данному электрическому режиму соответствует определённая максимальная толщина слоя. 2. Для уменьшения шероховатости поверхности необходимо уменьшить энергию единичных импульсов при максимальной частоте следования. 3. Чем более инертна межэлектродная среда, тем больше время обработки единицы площади катода и толще наносимый слой. 4. Для получения возможно более толстых и сплошных слоев с достаточно чистой поверхностью следует использовать средние по энергии импульсы (около 1 Дж). 5. Для ликвидации схватывания электродов в момент контакта рекомендуется уменьшить энергию импульсов и увеличить амплитуду вибрации анода. 6. Сплошность покрытия тем больше, чем меньше шероховатость легируемой поверхности. искрового разряда в точках соприкосновения канала разряда с поверхностью электродов имеет место выброс материала электродов с образованием на их поверхности лунки с краями, несколько приподнятыми над поверхностью металла. Размер лунки зависит от электроэрозионной устойчивости материала электродов и энергии электрического импульса. При многократном действии импульсов в одну точку на катоде образуется вместо слоя переносимого материала сильно увеличенная в размерах лунка, что приводит к необходимости постоянного перемещения легирующего электрода относительно зоны воздействия разряда на катоде. Если скорость перемещения электрода такая, что к моменту следующего импульса электрод успеет сместиться на диаметр лунки, то поверхность катода после однократного прохода электрода будет иметь зубчатый профиль, в кото 26 ром зубцы образованы краями соседних лунок. При смещении точки приложения последующего импульса на величину меньшую, чем диаметр лунки, разряд будет протекать через наиболее выступающую часть поверхности» т.е. в край лунки, образованный предыдущим разрядом. При этом часть металла с края лунки переместиться к её центру. Таким образом, на катоде одновременно с образованием ЛС, будет происходить перемещение расплавленных и размягчённых зон материала электродов. Экспериментально установлено [6], что если контактирующая площадь анода больше площади образующейся лунки, то наиболее качественный слой получается при смещении электрода на 1/4 диаметра лунки. Эти рекомендации даны исходя из практического использования ЭИЛ, и не охватывают вопросов влияния состава, структуры материала электродов, их схватывания на процесс формирования ЛС. Для получения качественных толстослойных покрытий (до 100-300 мкм и выше) необходимо обеспечить эрозию материала анода преимущественно в капельно-жидкой фазе [147, 148] и по возможности уменьшить содержание в продуктах эрозии паровой фазы, распыляющей капельно-жидкую. Для создания условий интенсивного переноса материала анода на катод и прочного сцепления с деталью необходимо, чтобы процессы на электродах носили резко асси-метричный характер; в первую очередь ассиметрия должна проявляться в распределении температуры вдоль межэлектродного промежутка - частицы металла со стороны катода должны охлаждаться быстрее, чем со стороны анода. К основным видам переноса и взаимодействия веществ электродов при ЭИЛ относятся [13]: 1) Образование покрытий на катоде из материала анода; 2) Образование сплавов (смесей, твёрдых растворов и интерметалл и дов) в поверхностном слое катода в результате взаимной диффузии элементов катода и анода; 3) Перенос вещества с катода на анод с образованием покрытий. Эффективность использования на практике метода ЭИЛ в значительной степени определяется оптимальным подбором параметров процесса, однако наибольшую сложность представляет выбор оптимального удельного времени легирования (t0). Это связано с нелинейным изменением массы образца в процессе ЭИЛ (рис. 1.3): начиная с удельного времени легирования tx масса образца уменьшается, т.е. привес катода (Ак) становится отрицательным. С повышением удельного времени легирования t %, масса образца может принять значение меньше первоначальной. В общем случае линейное увеличение массы образца при изменении t наблюдается только при t tx.
С изменением режимов обработки и особенно материалов электродов и межэлектродных сред зависимость Ак= f(t) может существенно изменяться, что затрудняет возможность аналитического определения to- Всё ещё нет единого мнения о критерии выбора to. Выбор to (при различных электрических режимах и межэлектродных средах), а также материалов легирующих электродов по существу составляет основу технологии ЭИЛ.
Лазаренко установили, что максимум привеса катода зависит от величины энергии импульсов, природы материала электродов и газовой среды, [3, 7, 68, 150]. Причём характер переноса вещества анода на катод при "грубом" и "чистовом" легировании во времени различен: в последнем случае время достижения максимума привеса катода больше, а уменьшение привеса происходит медленнее.
Экспериментально установлено [151], что чем более инертна среда, окружающая электроды, тем больше допустимая удельная продолжительность легирования и тем большее количество материала можно нанести на катод.
Определение вольт-амперных характеристик установок эил. Методика расчета энергетических параметров процесса эил
Позднее в ЦНИИТМАШ были созданы установки моделей ЭАИ-1, ИЕ-2, ИЕ-2М, ИАС-2М, ИАС-3, особенностью которых являлось использование напряжений на электродах до 50 В с рабочим током до 30 А и значительной емкостью конденсаторных батарей [54].
С 1963г. в Институте прикладной физики АН МССР, директором которого стал Б.Р.Лазаренко, были разработаны установки для "чистового" и "грубого" электроискрового легирования типа ЭФИ. Опытный завод института выпускал установки небольшими партиями. Выпускаемые до последнего времени заводом установки для ЭИЛ с ручным управлением и механизированные типа "Элитрон" имеют широкий диапазон применения, мощности, технологических возможностей и параметров образования легированного слоя. Наиболее распространенные модели: Элитрон-16, Элитрон-22А, Элитрон-52Б.
Перспективность и экономическая эффективность применения процессов ЭИЛ подтверждается производством установок следующих моделей во всех промышленно развитых странах мира: Electroarc, Mold Doctor (США); Tucadur 2000, Eroleg (Германия); SNPM1 (Франция); Depozitron, SparkDepo mod.500, 300, 200, MicroDepo mod. 100, 140, (Япония); Cosmeca A.G., Carbidor (Швейцария); Rocklinizer mod.500, mod.600, mod.1000 (Ю.Корея); D9105A, D9110A, D9130A (Китай); Duromatic (Венгрия); ARC1, ARC2, ARC3 (Индия), ЕЛФА (Болгария); ЭИЛВ-8 (Украина); UR-121, BEKTOP24NL (Россия).
Анализ литературных данных [1-221] позволил определить недостатки теоретического, методического и экспериментального характера, сдерживающим широкое применение метода электроискрового легирования в производстве: -отсутствие единой модели процесса ЭИЛ (физической и математической); -низкая воспроизводимость результатов, полученных при использовании установок ЭИЛ разных моделей, поскольку полученные результаты образования покрытий привязаны к технологическим режимам конкретной установки; -отсутствие систематических данных по оптимальным технологическим режимам обработки; -использование, в основном, дорогих электродных материалов, в то же время обладающих низкой эрозионной способностью. Поскольку на практике в качестве материалов для изготовления деталей машин чаще всего используют железоуглеродистые сплавы (стали), то данные по формированию поверхностного слоя на подложках из железоуглеродистых сплавов представляют не только теоретический, но и практический интерес. В качестве электродных материалов для ЭИЛ в большинстве случаев применяют стандартные твердые сплавы на основе карбидов вольфрама и титана с кобальтовой связкой, позволяющие в 2-3 раза и более повысить стойкость режущего инструмента, штамповой оснастки и деталей машин [155]. Однако эти сплавы не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к электродным материалам для ЭИЛ в связи с их высокой эрозионной стойкостью, низкой производительностью процесса, а в ряде случаев недостаточной твердостью и износостойкостью, поэтому задача создания и применения новых электродных материалов, лишенных этих недостатков, также считается актуальной. В изученных информационных материалах значительное количество технологических параметров исследованных процессов ЭИЛ приводятся с конкретной привязкой к используемым установкам (модель установки, режимы работы 1, 2, 3 и т.д. и время легирования). В настоящее время номенклатура выпускаемых и используемых установок значительно изменилась. Электрические и энергетические параметры даже для установок одной модели значительно отличаются друг от друга. Все это не обеспечивает воспроизводимость процесса, сопоставление результатов исследований, полученных при применении современных установок ЭИЛ и использование режимов обработки устаревших конструкций установок ЭИЛ при разработке технологических процессов. Поэтому при исследованиях необходимо использовать более универсальные энергетические параметры искровых разрядов, которые позволяют полученные результаты исследований применять при разработке технологических процессов для электроискровых установок большого количества моделей независимо от времени изготовления. Учитывая отмеченные особенности процесса электроискрового легирования, основной задачей исследования является обеспечение возможности повышения толщины легированного слоя до 300-500 мкм (и выше), использование метода ЭИЛ не только для упрочнения рабочих поверхностей деталей, а также и для восстановления изношенных поверхностей деталей с высоким качеством поверхностного слоя и отсутствием деформаций, при минимальных структурных изменениях подповерхностного слоя. Одним из путей решения этой задачи является также применение многослойных покрытий. Целью работы является исследование процесса формирования функциональных покрытий электродными материалами, в том числе полученными из вольфрамсодержащего минерального сырья, разработка оборудования и технологии восстановления деталей машин. На основании изучения состояния вопроса, в работе ставились следующие задачи, подлежащие решению: 1. Исследовать зависимости массопереноса, формирования ИПС электродными материалами, в том числе полученных из минерального сырья, от энергетических параметров процесса ЭИЛ. 2. Выработать требования и разработать генератор высокочастотных стабилизированных импульсов установки ЭИЛ с расширенными технологическими возможностями работы в механизированном режиме. 3. Определить взаимосвязь механических и энергетических параметров процесса при механизированном ЭИЛ с методикой инженерных расчетов ре жимов обработки на механизированных установках ЭИЛ цилиндрических поверхностей. 4. Разработать технологические основы формирования многослойных по крытий, правил подбора и использования электродных материалов с учетом физико-химических свойств компонентов и заданных эксплуатационных требований. 5. Разработать рекомендации для построения научно-обоснованных технологических процессов нанесения многослойных покрытий для восстановления и упрочнения деталей на механизированной установке ИМ-101. Структурно-логическая схема решения поставленных в данной работе задач приведена на рис. 1.6.
Исследование кинетики массопереноса в зависимости от энергетических параметров механизированного процесса эил
Разработанный генератор содержит: источник питания: силовой трансформатор 1 с регулируемым выпрямителем, состоящим из мостового выпрямителя 2, сглаживающего конденсатора 3, симистора 9 и блока управления им, состоящим из мостового выпрямителя 10, ключа на транзисторе 11 и фазосдвигающей RC-цепочки из конденсатора 12 и потенциометра 13; два идентичных преобразователя постоянного напряжения (ППН) с разрядом конденсатора на нагрузку с частотно-импульсным управлением — ППНІИГШН2; блок управления тиристорами 23; вибратор 4; электроды 7 (анод) и 8 (катод); блок управления вибратором, состоящий из однополупериодного выпрямителя на диоде 28, фильтрующего конденсатора 29, тиристоров 30, 31 и конденсатора задержки 32; блок управления двигателем электрододержателей, состоящий из мостового выпрямителя 25, сглаживающего конденсатора 26 и потенциометра 27, с помощью которого регулируют частоту вращения головки и амплитуду вибрации вибратора. ППН1 (ППН2) состоит из зарядного тиристора 15 (16), диодов 17, 21 (18, 22), блока накопительной емкости 5 (6) и разрядного тиристора 19 (20). Переключатель 14 формирует зарядную цепь из зарядных тиристоров 15, 16, диодов 21, 22 и разрядную цепь из разрядных тиристоров 19, 20, диодов 17, 18, т.е. включаем либо два канала одновременно, либо по отдельности. Блок управления зарядными и разрядными тиристорами выполнен в виде симметричного мультивибратора 23, с возможностью плавного регулирования частоты следования импульсов от 100 до 1200 Гц потенциометром 24. Переключатель 33 обеспечивает коммутацию электрододержателей для механизированной работы и вибратора, для использования установки в ручном режиме.
Устройство работает следующим образом: При включении устройства в сеть, индикатором сети служит лампа накаливания 34, на вторичных обмотках трансформатора наводится э.д.с. На выходе выпрямителя 2 устанавливается постоянное напряжение которое можно плавно регулировать потенциометром 13 от 0 до 100 Вольт. Регулирующим элементом является симистор. Регулировка напряжения осуществляется путем изменения фазового угла (р, при котором происходит отпирание симистора при переходе напряжения через "0". Напряжение с фильтрующего конденсатора 3, в зависимости от положения переключателя ] 4, поступает на зарядные тиристоры 15 и 16.
Одновременно запускается мультивибратор 23, на выходе 1 которого, точки 3, 4, 9, 10, 13, 14 на блоке, устанавливается напряжение высокого уровня, которое поступает на управляющие электроды тиристоров 30, 15 и 16, а на выходе 2, точки 5-8, 11, 12 на блоке, устанавливается напряжение низкого уровня, которое поступает на управляющие электроды тиристоров 31, 19 и 20. Через определенное время происходит переключение мультивибратора и на выходе 1 устанавливается напряжение низкого уровня, а на выходе 2 — напряжение высокого уровня.
Процесс переключения мультивибратора периодический и регулируется потенциометром 24 с частоты переключений от 100 до 1200 Гц.
При контакте электродов 7 и 8 энергия передается в нагрузку как при заряде током по контуру: зарядный тиристор 15 (16), рабочие емкости 5 (6), диод 21 (22) и МЭП, так и при разряде рабочих емкостей по контуру: рабочие емкости 5 (6), разрядный тиристор 19 (20), МЭП и диод 17 (18), Процесс прохождения электрических импульсов с заданной частотой и напряжением в МЭП между электродами 7 и 8, а значит и процесс массопереноса, будет повторятся до разведения электродов 7 и 8 на величину превышающую пробой.
Узел питания привода электрод од ержател ей и управления частотой вибраций вибратора включается в работу одновременно с включением устройства в сеть и положением переключателя 33 обеспечивает питание либо приводов электрододержателей для механизированной работы в автоматизированном комплексе, либо вибратора установки в ручном режиме. В первом случае на выходе выпрямителя 25 устанавливается напряжение, которое через фильтрующий конденсатор 26 и регулирующий потенциометр 27 подается к приводу электрододержателеЙ: регулировка частоты вращения двигателя электрододер-жателя обеспечивается потенциометром 27. Во втором случае напряжение от однополупериодного выпрямителя на диоде 28, фильтрующего конденсатора 29, управляемых от мультивибратора 23 тиристоров 30 и 31 и потенциометра 27 подается в катушку вибратора 4 с устанавливаемой регулируемой частотой потенциометром 24. Конденсатор 32 обеспечивает задержку срабатывания вибратора после прохождения электрического импульса с анода 7 на катод 8.
Разработанный генератор импульсов работает в напряженном тепловом режиме. Элементами повышенной теплоотдачи являются силовые тиристоры, диоды и сетевой трансформатор. Для облегчения теплового режима в генераторе предусмотрена местная вентиляция, применен малогабаритный вентилятор ВН-2. Силовые тиристоры и диоды установлены на радиаторы и размещены на отдельных платах из стекловолокна толщиной 5 мм.. Площадь каждого радиатора 100 см2.
Разработанный электроискровой генератор был изготовлен и опробован как в ручном, так и в механизированном вариантах работы. Были сняты вольтам-перные характеристики, измерены электрические параметры и замерены параметры упрочняюще-легирующей обработки. Электрические параметры генератора: мощность, потребляемая на холостом ходу - 190 Вт; максимальная потребляемая мощность - 1,5 кВт; средний рабочий ток - до 10 А; напряжение на разрядном промежутке - от 20 до 28 В; значение тока на разрядном промежутке — от 40 до 145 А; величина рабочей емкости - от 10 до 340 мкФ; частота импульсов — от 100 до 1200 Гц; длительность разрядного импульса - от 30 до 120 мкс. количество режимов изменения накопительных конденсаторов соответственно первого и второго генераторов -11. Параметры упрочняюще-легирующей обработки: толщина наносимого слоя - до 0,2 мм; микротвердсть, в зависимости от материала электрода - до 13 ГПа; шероховатость покрытия, RA —1,5 мкм; производительность — до 8 см2/мин. В варианте установки с дискретным изменением амплитуды напряжения на рабочих емкостях накопительных конденсаторах количество режимов изменения напряжения - три.
Исследование массопереноса материала анода на катод при формировании многослойных покрытий
При механизированном легировании с использованием одноэлектродной головки инициирование низковольтного искрового разряда в основном обусловлено контактным механизмом, т.е. при постоянном физическом контакте электродов происходит взрывообразное расплавление мостика и образование канала сквозной проводимости, эрозия материала анода и его перенос на катод [132]. Схема контактного взаимодействия электродов, образования ИПС и микрогеометрии поверхности приведена нарис 4.1 (г-ж).
В отличии от хаотического движения электрода при ручном легировании, при механизированном ЭИЛ рабочий торец электрода должен обрабатывать каждый локальный участок поверхности детали один раз (за один проход). Поэтому возникает задача определения режимов обработки, обеспечивающих одинаковую по времени обработку каждого участка легируемой поверхности. Для различных деталей чаще всего применяется "строчная развертка" - путь перемещения электрода по поверхности детали осуществляется по строкам, покрывая всю поверхность детали. Для цилиндрических поверхностей перемещение электрода-инструмента (ЭИ) по строке обеспечивается вращением шпинделя токарно-винторезного станка с закрепленной в нем детали-образца, и с помощью продольной подачи суппорта станка с одноэлектродной головкой вдоль оси вращения шпинделя формируется развертка строки, т.е. после каждого оборота шпинделя электрод попадает на новую строку, (см. рис. 4.1 (а-в)). Поскольку процесс ЭИЛ дискретный, т.е. перенос материала ЭИ на деталь происходит порциями при искровом разряде каждый импульс генератора ЭИЛ и на поверхности детали формирует разрядную лунку, то задавая скорость вращения шпинделя и продольную подачу суппорта, получают соответствующее расстояние между центрами лунок - шаг разрядов по строке и по оси детали. Для полу 86 чения качественных покрытий каждая последующая лунка должна перекрывать предыдущую. Коэффициент перекрытия лунок есть отношение шага разрядов к диаметру лунки:
В работе Н.И. Лазаренко [6] исходя из механизма образования покрытий в виде выступающих гребней и впадин, образованных эрозионными лунками, показано, что для получения наиболее ровного слоя необходимо перемещение электрода не более, чем на 1/4 диаметра лунки между разрядами.(т.е. Ктер=0,25). Тогда каждый последующий разряд будет протекать через наиболее выступающую часть поверхности катода - валик, гребень или край лунки, образованную предыдущим разрядом. В результате этого часть металла с края лунки переместится к ее центру, образуется новая лунка, центр которой смещен относительно центра предыдущей лунки, и т.д.. Таким образом на катоде одновременно с образованием слоя металла, перенесенного с анода на катод, будет происходить перемещение зон материала обоих электродов, перемешивание и взаимное проникновение друг в друга.
С целью обеспечения регулярности расположения лунок, высокой сплошности и меньшей шероховатости покрытий, формируемых при механизированном ЗИЛ, необходимо чтобы коэффициент перекрытия был неизменным не только по строке, в направлении вращения детали, но и поперек строк - в направлении продольной подачи, т.е. коэффициент перекрытия лунок каждых двух соседних строк должен быть такой же, как и для двух соседних лунок в одной строке. Кроме этого, с учетом равномерности расположения лунок, значение коэффициента перекрытия Кпер должно быть не более 0,71 (рис.4.1. в, ж).
Следовательно, каждой заданной скорости вращения детали должна соответствовать определенная скорость продольной подачи, определяющая общее, и удельное время легирования всей цилиндрической поверхности детали. 91 Скорость вращения электрода-инструмента пг вокруг своей оси должна также согласовываться с частотой следования искровых разрядов, для этого необходимо скорость вращения электрода-инструмента выбирать кратной частоте следования искровых разрядов. Например, при кратности равной 1 за один оборот ЭИ будет происходить 1 искровой разряд, при кратности 2 - 2 искровых разрядов и т.д. При не соблюдении этого условия происходит "дробление" искровых разрядов при легировании, т.е. разряд конденсаторов будет происходить не полностью на одну лунку, а на две или несколько лунок, причем неравномерно, что влияет на параметры лунок, на толщину покрытий (уменьшение) и на качество легированного слоя (возможно ухудшение или улучшение шероховатости, сплошности в зависимости от отношения частоты следования искровых разрядов к частоте вращения ЭИ).
Для улучшения качества легируемого слоя, и возможного увеличения толщины покрытий частоту следования следования искровых разрядов необходимо выбирать кратной рассчитанной, при неизменных других технологических параметрах (S, пд, d). При этом равномерность обработки всей поверхности детали будет обеспечена с учетом не только одного искрового разряда, а двух и более последовательных разрядов, приходящихся на участок поверхности, занимаемой одной эрозионной лункой.
Расчет оптимальных технологических режимов удобно вести с помощью программы Excel Microsoft Office (ПРИЛОЖЕНИЕ 2): например при минимальной частоте вращения шпинделя токарно-винторезного станка пд - 12,5 об/мин для обеспечения равномерности обработки всей поверхности детали-образца диаметром d = 15 мм следует варьировать частотой следования искровых разрядов генератора fM и дискретно подачей S. Оптимальные величины этих параметров приведены ниже в таблице 4.1.
