Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ обрабатываемости быстрорежущей стали Р6М5 10
1.1. Механические методы обработки быстрорежущих сталей 11
1.1.1. Абразивное шлифование 12
1.1.2. Алмазное и эльборовое шлифование 16
1.2. Электрофизические и электрохимические методы обработки быстрорежущих сталей 19
1.2.1. Электроэрозионная обработка 19
1.2.2. Электрохимическая размерная обработка (ЭХРО) 21
1.3. Электрофизикохимикомеханические методы обработки быстрорежущих сталей 25
1.3.1. Электроэрозионное шлифование (ЭЭШ) 25
1.3.2. Электроалмазное шлифование (ЭАШ) 26
1.3.2.1. Факторы, определяющие снижение работоспособности алмазных кругов при ЭАШ 30
1.3.2.2. Способы восстановления режущей способности алмазных кругов 32
1.4. Цели и задачи исследования 37
2. Оборудование и методики экспериментальных исследований 41
2.1. Методики проведения экспериментальных исследований 41
2.1.1. Выбор материала исследований 41
2.1.2. Выбор составов электролитов 43
2.1.3. Методики оценки анодного растворения металлов 45
2.1.3.1. Потенциостатический и потенциодинамический методы 46
2.1.3.2. Метод вращающегося дискового электрода (ВДЭ) 49
2.1.4. Методики оценки технологических характеристик 53
2.1.4.1. Определение износа алмазного круга 53
2.1.4.2. Определение производительности электроалмазной обработки 55
2.1.5. Математическое планирование экспериментальных исследований 55
2.2. Модернизация оборудования для электроалмазной обработки 59
2.2.1. Разработка экспериментальной установки для непрерывного обновления поверхности алмазным кругом 59
2.2.2. Модернизация станка ЗГ71 для электроалмазного шлифования 64
2.3. Разработка способа электроалмазного шлифования с асимметричными биполярными импульсами 64
Выводы 70
3. Экспериментальное исследование особенностей анодного растворения быстрорежущей стали 72
3.1. Потенциодинамические и потенциостатические методы оценки анодного растворения сталей 72
3.1.1. Анодное поведение стали Р6М5 72
3.1.2. Анодное поведение модельных материалов W, Mo, Cr, Fe...77
3.2. Определение особенностей анодного растворения стали Р6М5 методом вращающегося дискового электрода 88
3.2.1. Влияние угловой скорости вращения анода на поляризацию стали Р6М5 89
3.2.2. Определение величины пограничного и диффузионного слоев при различной скорости вращения 94
Выводы 99
4. Технологические особенности электроалмазного шлифования стали Р6М5 100
4.1. Исследование влияния давления и скорости резания на процесс анодного растворения стали Р6М5 100
4.2. Определение технологических характеристик процесса электроалмазного шлифования 110
4.2.1. Определение производительности процесса электроалмазного шлифования стали Р6М5 110
4.2.2. Особенности износа алмазных кругов при электроалмазном шлифовании стали Р6М5 117
4.3. Глубинное электроалмазное шлифование стали Р6М5 121
4.4. Особенности электроалмазного шлифования стали Р6М5 с применением асимметричных биполярных импульсов 130
4.4.1. Влияние величины напряжения обратной полярности на производительность электроалмазного шлифования и износ алмазных кругов 131
4.4.2. Сравнение технологических характеристик электроалмазной обработки стали Р6М5 с применением асимметричных биполярных импульсов с процессом электроалмазного шлифования на постоянном токе 136
Выводы 138
5. Технологическое применение электроалмазного шлифования 140
5.1. Выбор величины продольной подачи стола при шлифовании по "жесткой" схеме 140
5.2. Апробирование электроалмазного шлифования с асимметричными биполярными импульсами 146
Выводы 149
Заключение 150
Список использованных источников 152
- Электрофизические и электрохимические методы обработки быстрорежущих сталей
- Разработка экспериментальной установки для непрерывного обновления поверхности алмазным кругом
- Определение особенностей анодного растворения стали Р6М5 методом вращающегося дискового электрода
- Определение технологических характеристик процесса электроалмазного шлифования
Введение к работе
Быстрорежущие стали нашли широкое применение при изготовлении режущего инструмента для обработки конструкционных сталей и чугунов, работающего как при небольшой скорости резания г>= 10... 15 м/мин, но с высокими давлениями (метчики, плашки), так и при больших скоростях до 60 м/мин (сверла, резцы, фрезы). Вместе с тем быстрорежущие стали относятся к классу труднообрабатываемых. Входящие в состав стали карбиды вольфрама, молибдена, ванадия, определяющие прочность материала и обуславливают сложность в их обработке механическим резанием.
Финишными операциями изготовления режущего инструмента является шлифование и заточка. Качество их выполнения влияет на стойкость режущего инструмента в процессе его эксплуатации. В настоящее время шлифование и заточка режущего инструмента из быстрорежущих сталей осуществляется кругами из электрокорунда белого и эльбора, что зачастую приводит к образованию дефектов в виде прижегов и микротрещин. Кроме того, при этом производительность обработки не превышает 400...600 мм3/мин.
Перспективные результаты с позиции повышения производительности обработки и качества обработанной поверхности при заточке инструмента из твердого сплава были достигнуты при использовании метода электроалмазного шлифования, теоретические и практические основы которого рассмотрены в работах Седыкина Ф.В., Кащеева В.Д., Давыдова А.Д., Любимова В.В., Чмира М.Я., Грабченко А.И., коллектива кафедры "Технология машиностроения" Новосибирского государственного технического университета и др. Однако этот метод не получил широкого применения при обработке класса быстрорежущих сталей, вследствие быстрого засаливания поверхности алмазного круга, что приводит к снижению производительности процесса шлифования и качества обработанной поверхности.
Положительные результаты, достигнутые при электроалмазном шлифовании твердых сплавов, создали предпосылки для применения метода электроалмазного шлифования для обработки быстрорежущих сталей. Применение
данного технологического метода при обработке указанного класса сталей требует проведения комплексных исследований процесса обработки с целью установления взаимосвязей технологических характеристик (производительность процесса и удельный износ алмазного круга) с режимами обработки. Эти обстоятельства обусловливают актуальность темы данной работы, которая посвящена повышению производительности электроалмазного шлифования вольфрамомолибденовых быстрорежущих сталей.
Представителями этого класса материалов являются стали Р6М5, Р6МЗ, Р8МЗ, характеризующиеся одинаковым составом легирующих материалов и твердого раствора. Вероятно, и характер поведения этих сталей при механической обработке будет сходен. Это предположение позволяет в качестве модельного материала для исследований выбрать одну марку стали, а полученные результаты теоретико-экспериментальных исследований применить для всей группы вольфрамомолибденовых сталей. Быстрорежущая сталь Р6М5 получила наиболее широкое применение, по сравнению с другими представителями этой группы материалов. Поэтому в качестве материала для теоретико-экспериментальных исследований была выбрана сталь Р6М5.
Работа состоит из пяти разделов. В первом разделе выполнен анализ современного состояния обработки быстрорежущих сталей в закаленном состоянии абразивным и алмазным шлифованием, электрофизическими и электрохимическими и комбинированными методами. Сформулированы цель и задачи исследования. Во втором разделе описаны методики для поляризационных измерений в стационарном состоянии и в условиях вращающегося дискового электрода. Разработана установка для непрерывного обновления поверхности анода алмазным кругом. Предложен метод электроалмазного шлифования с асимметричными биполярными импульсами. Выбраны материал, составы электролитов и методики экспериментальных исследований. В третьем разделе представлены экспериментальные исследования процесса анодного растворения быстрорежущей стали Р6М5 и ее составляющих вольфрама, молибдена, хрома, железа в стационарных условиях и в условиях движущегося электролита
7 по методике вращающегося дискового электрода. Представлены теоретические
расчеты изменения толщин общего пограничного и диффузионного слоев в зависимости от угловой скорости вращения. В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных исследований процесса анодного растворения процесса стали Р6М5 при непрерывном обновлении поверхности алмазным кругом, а также результаты экспериментальных исследований зависимостей производительности процесса электроалмазного шлифования и удельного износа круга от режимов обработки. В пятом разделе показана возможность перехода от "упругой" схемы шлифования к "жесткой", наиболее приемлемой в производстве. Представлены результаты апробации процесса электроалмазного шлифования с применением асимметричных биполярных импульсов на производстве.
Методы исследования. Представленные в работе результаты получены на основе экспериментальных исследований с использованием приборов и установок для определения характера электрохимического растворения материала как в стационарных условиях, так и в условиях движущегося электролита и при непрерывном обновлении обрабатываемой поверхности алмазным кругом.
Научная новизна.
Определены особенности электрохимического растворения быстрорежущей стали Р6М5 и ее основных составляющих вольфрама (W), молибдена (Мо), хрома (Сг), железа (Fe) в растворах нейтральных солей NaNC>3, Na2SC>4 и NaCl, заключающиеся в том, что процесс анодного растворения стали Р6М5 определяется характером анодного поведения основной составляющей стали -железа.
Выявлено, что процесс растворения быстрорежущей стали сопровождается возникновением диффузионных ограничений, которые приводят к снижению плотности тока, а следовательно и скорости анодного растворения.
Установлено, что применение биполярных асимметричных импульсов при электроалмазном шлифовании стали Р6М5 приводит к повышению произ-
8 водительности обработки за счет удаления засаленного слоя с поверхности алмазного круга во время работы на обратной полярности. Практическая ценность.
Экспериментально определены зависимости технологических характеристик (производительность, удельный износ) процесса электроалмазного шлифования быстрорежущих сталей с режимами обработки (давление между алмазным кругом и деталью, скорость резания).
Предложен и реализован способ электроалмазного шлифования с применением асимметричных биполярных импульсов, позволяющий производить правку алмазных кругов в процессе обработки в автоматическом режиме, что обеспечивает повышение производительности в 3,2...3,5 раза по сравнению с шлифованием на постоянном токе.
Предложены конструкции приспособления для измерения сил резания при электроалмазном шлифовании (патент на изобретение № 2210749 от 20.08.2003) и тензометрической вставки (патент на изобретение № 2215641 от 10.11.2003).
Реализация работы. Результаты выполненной работы апробированы и рекомендованы к внедрению на Новосибирском заводе ОАО «Реминструмент» в виде технологического процесса электроалмазного шлифования резца со сферической рабочей частью радиусом 60 мм с использованием асимметричных биполярных импульсов.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации." в г. Новосибирске, 2002, 2003 г., на международной научно-технической конференции «Современные технологические системы в машиностроении» в г. Барнаул, 2003г., на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» Новосибирского государственного технического университета.
9 Публикации. По теме диссертации опубликовано 8Л печатных работ, из
них: 2 научных статьи, 2 патента на изобретения, 4 - сб. трудов конференций,
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложения. Работа содержит 163 страницы основного текста, в том числе 9 таблиц, 77 рисунков, список использованных источников 117 наименований.
10 1. АНАЛИЗ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Р6М5
Обрабатываемость быстрорежущих сталей в закаленном состоянии и в состоянии поставки, исследована многими учеными, в частности, Палеем М.М., Дибнером Л.Г., Филдом М.Д., Семко М.Ф., Внуковым Ю.Н., Грабчен-ко А.И., Залогой В.А., Захаренко И.П., Савченко Ю.Я., Лавриненко В.И. и другими.
Технологию производства режущего инструмента из быстрорежущих сталей можно разделить на два этапа: 1) операции, выполняемые до термической обработки 2) операции, выполняемые после термической обработки. Первый этап характеризуется обработкой сталей в незакаленном состоянии, что позволяет использовать методы формообразования с применением лезвийного инструмента, такие как: точение, фрезерование, строгание, долбление и т.п. На этом этапе происходит срезание основной части припуска и придание формы изготавливаемому инструменту с точностью по 10... 11 ква-литету и шероховатостью поверхности Rz = 10...20 мкм. Однако перечисленные методы обработки не обеспечивают точность геометрических размеров и формы, а также шероховатости поверхности, предъявляемых к режущим инструментам. Для обеспечения высокой точности (7...9 квалитет) и шероховатости поверхности (Ra = 0,32...1,25) необходимо применение чистовых способов обработки, которые с целью уменьшения короблений и величины дефектного слоя, возникающих после термообработки, выполняются на втором этапе. Твердость быстрорежущих сталей после операции термообработки составляет HRC 62...65, что требует применения методов формообразования, позволяющих обрабатывать материал с высокой твердостью. Эти методы можно разделить по способу срезания припуска на механические, электрофизические, электрохимические и комбинированные [1]. К механическим методам формообразования можно отнести абразивное, эльборовое и алмазное шлифование. Удаление припуска происходит за счет механического резания
зернами шлифовального круга. Электрофизические и электрохимические способы обработки характеризуются удалением припуска посредством использования процессов оплавления и растворения токопроводящих материалов. К комбинированным относятся методы электрофизикохимико-механической обработки (ЭФХМО), частными случаями которых являются электроалмазное и электроэрозионное шлифование, сочетающие механическое резание зернами шлифовального круга с электрохимическим растворением и электроэрозионным оплавлением обрабатываемого материала.
Электрофизические и электрохимические методы обработки быстрорежущих сталей
Электроэрозионная обработка металлов основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под воздействием импульсов электрической энергии в канале разряда, возникающего между поверхностью обрабатываемой детали и электродом-инструментом, погруженным в жидкую среду [21]. Этот метод позволяет обрабатывать токопроводящие материалы любой твердости с высокой производительностью 800... 1500 мм3/мин, формообразование которых традиционными способами малоэффективно, либо практически не возможно [23]. Однако в силу специфических особенностей, электроэрозионная обработка нашла широкое применение на черновых операциях. Это связано с тем, что качество обработки, в частности шероховатость поверхности, находится в пределах Rz = 25...6 мкм, точность - ± 0,1...0,2 мм [21]. На поверхности обрабатываемой детали образуется измененный слой вследствие кратковременного, но интенсивного термического воздействия. Результатом этого воздействия является насыщение обрабатываемого материала веществами, содержащимися в жидкой среде, а так же веществами, входящими в состав электрода-инструмента [21]. При обработке стальных деталей в среде, состоящей из углеводородов (масло, керосин), поверхностный слой металла насыщается углеродом и образуются карбиды железа. Интенсивный теплоотвод через прилегающие к зоне разряда массы холодного металла и рабочую жидкость создают условия сверхскоростной закалки, что одновременно с науглероживанием приводит к образованию слоя высокой твердости [22]. Вследствие повышенной хрупкости поверхностный слой в большинстве случаев является дефектным. Этот слой снижает прочностные свойства металлов, так как при механических нагрузках возможно возникновения трещин, которые могут распространяться в глубь детали. Поэтому при изготовлении деталей, которые предназначаются для работы с большими нагрузками, приходится удалять измененный слой. Так при обработке быстрорежущих сталей, с энергией импульсов 0,07 Дж, образуется дефектный слой толщиной 8 = 19...22 мкм при шероховатости поверхности Rz 14 мкм, а при энергии импульсов 2 Дж дефектный слой составляет 8 = 80... 100 мкм при шероховатости Rz= 80 мкм [21, 23].
Таким образом, использование электроэрозионного процесса при обработке быстрорежущих сталей сопровождается появлением дефектного слоя, который необходимо удалить при последующей обработке. В этом случае необходимо применять доводочные методы обработки, т.е. разделять процесс обработки детали на черновую и чистовую операции. Чистовые операции выполняются при помощи механических методов формообразования - абразивного, эльборового или алмазного шлифования.
Процесс электрохимической размерной обработки - один из наиболее эффективных методов обработки труднообрабатываемых материалов. Электрохимическое формообразование возникает в результате взаимодействия электрического поля с заготовкой, помещённой в электролит [23, 24, 25, 26]. Большой вклад в расширение технологических возможностей ЭХРО внесли Д.З. Митяшкин, М.В. Щербак, И.И. Бабенко, И.И. Мороз, В.А. Шманев, Л.Д. Дмитриев, Б.И. Морозов, В.Г. Филимошин, А.К. Журавский и др.
При теоретическом описании электрохимического формообразования учитываются различные физико-химические процессы, происходящие в межэлектродном промежутке (МЭП) [23, 24, 25, 26, 28, 29]. Исходя из имеющихся представлений об электрохимической обработке рассмотрение физико-химических процессов, происходящих в МЭП и влияющих на процесс ЭХРО, целесообразно проводить в зависимости от их влияния на распределение локальной плотности тока по зазору. Такое рассмотрение физико-химических процессов, происходящих в межэлектродном промежутке, позволяет рассматривать электрохимическое формообразование как единый процесс и прогнозировать технологические характеристики обработки: точность, производительность и микрогеометрию поверхности после ЭХРО. На эти технологические характеристики обработки огромное влияние оказывают такие специфические факторы, как гидродинамика течения электролита, газонаполнение межэлектродного зазора, процессы тепловыделения [23, 27]. Исследованию влияния гидродинамических факторов на производительность ЭХРО посвящены работы [30, 31, 32, 33]. Установлено, что увеличение скорости движения электролита приводит к уменьшению возможности пассивации анода, увеличению области его активного растворения и снижению энергозатрат из-за интенсификации процессов удаления продуктов реакции. В работах [34, 35] отмечено о преимуществах турбулентного режима течения электролита, значительно уменьшающего диффузионные ограничения. Однако, увеличение скорости электролита, начиная с определённой критической величины (тем меньшей, чем больше величина зазора), вызывает снижение плотности тока и увеличение энергозатрат, по - видимому, из - за повышения омического сопротивления при развитой турбулентности потока электролита [36]. Так в работе [37] отмечается наличие для каждого зазора оптимальной скорости электролита (V) которая связывается со скоростью подачи катода (S) соотношением [38]:
Газонаполнение межэлектродного промежутка является фактором, который ограничивает повышение производительности и точности [39]. Объём выделяющихся в зазоре газов обычно на несколько порядков больше объёма других продуктов электролиза. Появление в растворе пузырьков газа снижает значение удельной электропроводности электролита. Влияние пузырьков газов на величину удельной электропроводности зависит от их размера и распределения в межэлектродном промежутке. .Снижение величины электропроводности приводит к уменьшению локальной плотности тока [40]. Интенсивное электродное газовыделение происходит неравномерно по длине межэлектродного промежутка, что собственно приводит к изменению электропроводности, вследствие чего наблюдается снижение точности ЭХРО и шероховатости поверхности до Rz = 10...20 мкм, а также приводит к насыщению поверхностных слоев некоторых материалов газообразными продуктами электролиза, что может стать причиной ухудшения прочностных свойств обработанной детали [27,43].
Разработка экспериментальной установки для непрерывного обновления поверхности алмазным кругом
В процессе электрохимического растворения металлов на поверхности анода образуется окисная пленка, приводящая к снижению плотности тока, а следовательно и производительности обработки [94]. Повышение производительности процесса растворения может быть достигнуто за счет непрерывного удаления пассивирующей пленки с поверхности анода. В практике электрохимической обработки последнее может быть осуществлено за счет гидродинамики течения электролита и механической зачистки. Эти приемы реализуются в процессе электроалмазного шлифования, совмещающего электрохимическое растворение обрабатываемого металла, гидродинамику течения электролита и непрерывное удаление с поверхности анода пассивирующей пленки алмазными зернами круга.
Для экспериментальных исследований кинетики электрохимического растворения в условиях непрерывного обновления поверхности анода была спроектирована и изготовлена установка для электроалмазного шлифования, схема которой представлена на рис. 2.5. Конструкция установки состоит из следующих основных частей: шпиндельного узла, закрепленного на каретке 10, перемещающейся в вертикальном направлении по колонне 6 при помощи реечной зубчатой передачи 16, и электрохимической ячейки 4 с установленным в ней исследуемым образцом 2, зафиксированным на стойке 3 винтом 18. Шпиндельный узел представляет собой двигатель постоянного тока 9 и шпиндель 11, на валу которого установлен алмазный круг 1. Электрохимическая ячейка 4 и стойка 3 выполнены из токонепроводящего материала, что позволяет изолировать исследуемый образец 2 от шпинделя. Кроме того, шпиндель 11 и двигатель 9 электрически развязаны шайбой 20, выполненной из текстолита, и муфтой 19, изготовленной из изоляционного материала (капролактана). В конструкции установки предусмотрена возможность работы по двум схемам - "упругой" и "жесткой". При "упругой" схеме работы движение подачи осуществляется за счет статической нагрузки. Данная схема получила широкое распространение на операциях фасонного профилирования режущего инструмента. "Жесткая" схема характеризуется наличием подачи стола за счет гидравлического или электрического привода. При "упругой" схеме работы давление между обрабатываемым материалом 2 и алмазным кругом 1 создается статической нагрузкой 7, действующей на шариковые направляющие 5. Перемещение электрохимической ячейки 4 в направлении действия статической нагрузки 7 лимитируется ограничителем 21. Переход от "упругой" схемы работы к "жесткой" осуществляется подключением двигателя постоянного тока 8 к ходовому винту 17 посредством муфты 15. Технологические параметры установки для электроалмазного шлифования:
Напряжение на исследуемый образец 2 и шлифовальный круг 1 подается от источника 14, электрическая схема которого представлена на рис. 2.6. Регулирование напряжения производится при помощи изменения напряжения в первичной обмотке трансформатора 1, осуществляемого посредством автотрансформатора 2 в диапазоне от 0 до 220 В.Плавное регулирование напряжения с фиксированной скоростью осуществляется при помощи двигателя постоянного тока 9, соединенного с винтовой передачей 7 посредством муфты 8.
Процесс электроалмазного шлифования осуществляется при постоянной подаче насосами типа Х14 - 22М, ПА - 22 в зону обработки электролита с расходом 4 ... 6 л/мин. С целью предотвращения коррозии, основные части помпы выполнены из нержавеющей стали, латуни и оргстекла. В качестве привода применялся асинхронный двигатель КД - 30 - У4 мощностью 60 Вт с максимальной частотой вращения 2750 об/мин. Минимальный объем электролита, заливаемого в емкость составляет 3 л. Подвод электролита в зону обработки осуществляется через систему шлангов и трубопроводов. Для осуществления процесса глубинной электроалмазной обработки на плоскошлифовальном станке ЗГМ71 необходимо было: следующих узлов: 1. Провести модернизацию привода продольных подач (рис. 2.7). 2. Сконструировать ограждение зоны шлифования (рис. 2.8). 3. Обеспечить изоляцию детали от массы станка (рис. 2.8). Предлагаемая схема электроалмазного шлифования характеризуется большой глубиной резания - до 5 мм при скорости подачи стола от 30 до 500 мм/мин. Гидравлический привод Г34 - 1, которым оснащен плоскошлифовальный станок ЗГ71, не обеспечивает перемещение стола в этом интервале подач. Поэтому в качестве привода, обеспечивающего перемещение стола в заданном интервале подач с высокой точностью ± 0,008...0,012 мм [118] применялась передача винт - гайка 2 (рис. 2.7). Вращение винта 2 производится при помощи двигателя 5 через червячный 3 и цилиндрический 4 редукторы. Скорость перемещения стола регулируется плавно, варьированием напряжения питания двигателя 5.
Определение особенностей анодного растворения стали Р6М5 методом вращающегося дискового электрода
Гетерогенные превращения на границе раздела фаз металл-электролит (частным случаем которых являются электрохимические реакции) состоят из нескольких последовательных стадий таких, как перенос реагирующих веществ к месту реакции, собственно электрохимического растворения, отвод продуктов реакции от реакционной поверхности [42]. Результирующая скорость реакции зависит от скорости перечисленных стадий. Если самой медленной из них является доставка реагирующих веществ или отвод продуктов реакции, принято считать, что гетерогенное превращение идет в режиме диффузионной кинетики. Если же наоборот, самым медленным оказывается собственно гетерогенное превращение, то процесс протекает в режиме электрохимической кинетике. Зачастую гетерогенные превращения происходят в режиме смешанной кинетике, т. е. в условиях, когда скорости переноса реагентов и собственно гетерогенного превращения сравнимы между собой. В связи с этим для изучения кинетики гетерогенной реакции приходится выделять те ограничения, которые вносят процессы переноса реагирующих веществ (диффузионные ограничения).
Применение метода вращающегося дискового электрода при исследовании анодного растворения металлов и сплавов, позволяет определить наличие диффузионных ограничений в процессе растворения по характеру изменения скорости анодного растворения, определяемой величиной плотности тока в зависимости от величины угловой скорости вращения анода.
Экспериментальные исследования влияния скорости вращения анода на поляризацию стали Р6М5 в водных растворах нейтральных солей показали, что увеличение скорости вращения анода в растворе 10% NaN03 в воде приводит к изменению характера потенциодинамической поляризационной кривой (рис. 3.17) и повышению плотности тока в 1,5...2 раза, по сравнению с растворением стали в стационарных условиях (рис.3.1). Причем, это значительное увеличение плотности тока наблюдается при повышении скорости вращения до 4а =11 (с)" 1/2 (рис. 3.17 кривая 2). Последующее изменение скорости до значений V u =13 (с)" и ысо =17 (с)" незначительно влияет на изменение плотности тока (рис. 3.17, кривые 3, 4). О наличии или отсутствии диффузионных ограничений при анодном растворении металла в условиях вращающегося дискового электрода можно судить по независимости плотности тока от корня квадратного из скорости вращения анода при соответствующих потенциалах анода. Так растворение стали Р6М5 в нитратном растворе характеризуется отсутствием диффузионных ограничений в области потенциалов ф=0...4 В (рис. 3.18, кривые 1, 2, 3, 4 и 5), поскольку при увеличении скорости вращения анода величина плотности тока остается постоянной. При более высоких потенциалах на графике зависимости плотности тока от скорости вращения появляется точка перегиба (рис. 3.18, кривая 6, 7, 8 и 9) при угловой скорости вращения V w=13 (с)" , т. е. наблюдается режим смешанной кинетики. В этом случае в диапазоне скоростей Л/Л7=1 1... 13 (с) 1/2 процесс растворения стали Р6М5 происходит в диффузионном режиме. Дальнейшее увеличение со снижает влияние диффузионных ограничений на процесс растворения, вследствие уменьшения толщины диффузионного слоя, т. о. преобладает режим электрохимической кинетики.
Характер потенциодинамических поляризационных кривых анодного поведения стали Р6М5 в водном растворе Na2S04 (рис. 3.19, кривые 2,3,4) не изменяется в зависимости от изменения скорости вращения анода, а, происходит увеличение плотности тока с увеличением значения угловой скорости враще-ния. Это связано с тем, что анион SO4 обладает активирующим действием по отношению к стали Р6М5. Характер изменения плотности тока от скорости вращения анода показывает, что в диапазоне потенциалов ср=0...6 В отсутствуют диффузионные ограничения и процесс растворения протекает в электрохимическом режиме (рис. 3.20, кривые 1,2,3,4,5,6,7). При потенциалах ф=7 В и ф=8 В (кривые 8 и 9) происходит увеличение плотности тока с увеличением скорости вращения анода. Возможно, что это связано с достижением потенциала газообразования, в частности выделением кислорода (02) на поверхности анода, что может служить причиной повышения плотности тока. Увеличение скорости вращения анода, в случае электрохимического растворения стали Р6М5 в водном растворе NaCl, приводит к изменению характера потенциодинамических поляризационных кривых (рис. 3.21). Так при неподвижном аноде (рис. 3.21, кривая 4) наблюдается два участка торможения процесса анодного растворения. Поляризационные кривые анодного растворения стали Р6М5 при скоростях вращения 4а=\\ (с) т и VU =13 (С) 1/2 (рис. 3.21, кривые 1,2) имеют только один участок торможения, увеличение же скорости до л[а =\1 (с)"1/2 приводит к исчезновению участка торможения и поляризационная кривая (кривая 3) имеет восходящий характер. В области потенциалов ф=0...2 В процесс растворения стали Р6М5 в хлоридном растворе характеризуется отсутствием диффузионных ограничений, о чем свидетельствует постоянство плотности тока с увеличением скорости вращения в данном диапазоне потенциалов (рис. 3.22 кривые 1,2). С увеличением потенциала происходит образование точки перегиба на графике зависимости плотности тока от скорости вращения анода (рис. 3.22, кривые 3,4).
Определение технологических характеристик процесса электроалмазного шлифования
Для экспериментального определения влияния скорости резания и давления между алмазным кругом и деталью на производительность процесса электроалмазного шлифования был проведен эксперимент с использованием методов математического планирования. В качестве параметра оптимизации была принята линейная производительность процесса (QL). Величины скорости резания и давления отвечают требованиям независимости, совместимости, управляемости и были приняты в качестве переменных факторов. Уровни варьирования факторов были определены на основе предварительных экспериментов (табл. 4.1). Значение верхнего уровня давления между алмазным кругом и деталью было определено из условия отсутствия электроэрозионного процесса. Максимальное значение скорости резания обусловлено значительным снижением скорости анодного растворения.
Реализация матрицы планирования для центрального ортогонального плана (табл. 4.2), включающей в себя 9 опытов, позволила определить значение параметров оптимизации и рассчитать величины коэффициентов уравнения регрессии второго порядка. После определения значимости коэффициентов из уравнения регрессии был исключен коэффициент bi и оно приняло вид:
Общий вид поверхности отклика, построенный с помощью уравнения (4.1) представлен на рис 4.11. Для выявления зависимости параметра оптими зации от отдельных факторов рассматривались сечения поверхности отклика в характерных точках (рис. 4.12, 4.13). Анализ полученных зависимостей показывает, что увеличение скорости резания (рис. 4.12) при фиксированных значениях давления между алмазным кругом и деталью увеличивает линейную производительность до максимального значения QL=2,35 мм/мин, а затем происходит снижение производительности. Характер зависимости линейной производительности от скорости резания является экстремальным во всех исследуемых электролитах. Точка перегиба находится в области скоростей резания 1)=13...15 м/с.
Влияние давления между алмазным кругом и деталью (рис. 4.13) на линейную производительность имеет восходящий характер. Увеличение давления при постоянных значениях скорости резания обуславливает повышение линейной производительности. Характер зависимости производительности электроалмазного шлифования стали Р6М5 от скорости резания и давления подтверждает тот факт, что производительность ЭАШ определяется процессом анодного растворения материала, механизм которого рассмотрен в разделе 4.1.
Определение линейной производительности электроалмазного шлифования стали Р6М5 в водных растворах 10% Na2S04 и 10% NaCl проводилось при оптимальных режимах обработки Р=500 Н/см и г =14 м/с, полученных при помощи уравнения (4.1) для раствора 10% NaNC 3 в воде. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 4.14. Анализ графика 4.14 показывает, что максимальное значение наблюдается при растворении стали Р6М5 в водном растворе 10% NaCl, а минимальное значение в 10% Na2S04- Характер изменения линейной производительности электроалмазного шлифования стали Р6М5 в зависимости от анионного состава электролита соответствует характеру распределения плотности тока при анодном растворении материала как в стационарных условиях (раздел 3.1), так и в условиях вращающегося дискового электрода (раздел 3.2). Это также свидетельствует о том, что на производительность электроалмазного шлифования значительное влияние оказывает анионный состав электролита, определяющий скорость анодного растворения.
Однако следует отметить, что с увеличением времени обработки происходит снижение линейной производительности электроалмазного шлифования стали Р6М5 во всех исследованных электролитах (рис. 4.14). Вероятно, это связано со снижением режущей способности алмазного круга, вызванное, образованием засаленного слоя на поверхности алмазного круга (рис. 4.15). Снижение режущей способности алмазного круга может быть связано не только с образованием на поверхности засаленного слоя, но и в результате затупление алмазных зерен в процессе обработки, следствием чего является разменный износ алмазного круга. В связи с этим важным вопросом является определение удельного износа алмазного круга в зависимости от режимов обработки.
Для экспериментальной оценки износа алмазных кругов при электроалмазном шлифовании стали Р6М5 были использованы опыты, проведенные по матрице планирования (таблица 4.2). Измеренные значения удельного износа алмазного круга (табл. 4.3) были использованы в качестве экспериментальных значений параметра оптимизации.
На основании расчетов по формулам (раздел 2) были определены коэф-фициенты второго порядка, устанавливающие связь удельного расхода круга с режимами обработки в исследованном диапазоне варьирования управляющих факторов. После определения значимости коэффициентов из уравнения были исключены коэффициенты bi и Ьп, и оно приняло вид:
Общий вид поверхности отклика представлен на рис. 4.16. Анализ уравнения (4.2) показывает, что наиболее сильное влияние на удельный износ алмазного круга оказывает давление между алмазным кругом и деталью. Это также подтверждается сечением поверхности отклика (рис. 4.17). Как видно из графика с увеличением давления растет удельный износ алмазного круга. Это объясняется тем, что повышение давления приводит к более глубокому внедрению алмазных зерен в обрабатываемый материал, тем самым, увеличивая на грузку на единичное зерно, что в свою очередь увеличивает износ, а также может привести к слому алмазного зерна. Авторами работ [127, 128, 129] отмечается, что основным видом износа при электроалмазном шлифовании является абразивный, сопровождающийся появлением площадок износа на зернах, но с достижением максимального значения давления вид износа характеризуется механическим разрушением, вплоть до выпадения отдельных зерен, вследствие динамических ударов о поверхность образца. По мнению авторов [71, 92] существует также вероятность появления адгезионного и окислительного износа, вследствие действия высоких нагрузок и температур на единичное зерно и наличия молекул кислорода (Ог) на аноде.
Похожие диссертации на Электроалмазное шлифование быстрорежущей стали Р6М5 с применением асимметричных биполярных импульсов
