Введение к работе
Актуалыюсть темы диссертации. В общем машино- и приборостроении на очистку и финишную обработку поверхности затрачивается свыше 10% от общей трудоемкости изготовления изделий. При этом доля ручного труда на выполнение этих операций достигает 70...90%. Это указывает на необходимость обоснованного выбора способов обработки, их усовершенствования, применения новых, интенсифицированных способов и, в особенности, снижения затрат ручного труда. Использование электрохимического полирования для финишной обработки позволяет получать изделия с высокими техническими, технологическими и эксплуатационными показателями. Однако широкое применение электрохимического по* лирования до настоящего времени сдерживается несовершенством используемых электролитов: низкой полирующей способностью, невысокой работоспособностью, необходимостью обезвреживания высокотоксичных компонентов. Электроимпульсное полирование (ЭИП) металлов - экологически более безопасный способ высококачественной обработки поверхности изделий. Несмотря на достаточно широкое использование в промышленности, до настоящего времени не проведено систематических научных исследований метода, имеется целый ряд нерешенных проблем. В частности, отсутствуют практические рекомендации по выбору состава электролитов, реядамов полирования, недостаточны сведения о влиянии ЭИП на физико-механические и эксплуатационные свойства полированных поверхностей. Поэтому вопрос разработки новых электролитов и технологий, а также теоретических основ процесса ЭИП становится особенно актуальным, имеющим как научное, так и практическое значение.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Часть исследований, приведенных в диссертации, выполнялась в соответствии с Республиканскими внутрйвузовскими госбюджетными темами: ГБ 86-17 "Усовершенствовать гибкие технологические системы; разработать технологические методы изготовления прецизионных и быстроизнашивающихся деталей" и ГБ 91-76 "Интенсификация машиностроительного производства на базе создания новых машин, оборудования, технологий и материалов".
Цель и задачи исследования. Анализ проведенного литературного обзора позволил сформулировать цель работы: повышение качества поверхности изделий и производительности обработки методом ЭИП.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие основные задачи:
-
Провести физические исследования ЭИП и разработать физико-химическую модель метода, объясняющую механизм съема металла с обрабатываемой поверхности.
-
Исходя из механизма процесса сформулировать общие принципы выбора состава электролита в зависимости от природы обрабатываемого металла.
-
Исследовать физико-химические свойства электрополированнон поверхности из коррозиоішостоиких и углеродистых конструкционных сталей и определить оптимальные режимы полирования.
-
Исследовать технологические параметры и разработать технологию ЭИП коррозиоішостоиких и углеродистых конструкционных сталей.
-
Разработать оборудование для осуществления ЭИП.
-
Внедрить разработанные технологию, оборудование и электролиты в производство.
Объект и предмет исследования. Объектами исследований в диссертации выбраны коррозионностойкпе (нержавеющие) стали аустенитно-го и мартенситного классов І2Х18Ш0Т, 20X13, 40X13 п углеродистые конструкционные стали 10,20,35 и У8А. Предметом является комплекс научных исследований, в результате которых разработана и внедрена в производство технология ЗИП корррзионностонких и углеродистых конструкционных сталей.
. Гипотеза. В ходе выполнения физических исследований была выдвинута гипотеза о механизме прохождения электрического тока через парогазовую ободочку, отделяющую поверхность обрабатываемого изделия от электролита, согласно которой электрический ток в прианодной области при ЗИП протекает от металлического -анода к электролитному катоду в результате электрического разряда типа тлеющего, в результате замыканий парогазовой оболочки электролитными мостиками, а также в результате искровых разрядов, возникающих между анодом и частицами шлама (псевдокатодом).
Методология и. методы проведенного исследования. При проведении физических исследований использовались как стандартные, так и специально разработанные методики.
Вольт-амперные характеристики процесса строились с помощью даухкоординатного самопишущего потенциометра ЛКД 4-003 на специально спроектированной экспериментальной установке. Осциллографиче-ские и частотные исследования электрогидродинамического режима выполнялись с помощью запоминающих осциллографов С8-13, С8-17 и элек-тронносчетного частотомера 43-34. Исследования единичного разряда и объемного распределения электрического потенциала в электролитической ячейке проводились по специальной методике на устройстве, защищенном авторским свидетельством СССР.
При проведении технологических исследований также были исполъ-
юяаны стандартные и специальные методики.
Химический состав Поверхности' образцов- исследовался методом рентгеновском фотоэлектронной спектроскопии на электронном спектрометре ЭС-2401 по методике, разработанной п соответствии с ГОСТ 8.010-90. Структура сталей изучалась рентгеновским методом на дифрактометре ДРОН 3.0 при помощи электронного микроскопа BS-350 и оптического микроскопа Neopbot-21. Микроструктура сталей изучалась методом цветного избирательного химического и электрохимического травления поверхности образцов и избирательного травления составляющих структуры с промежуточной съемкой рентгенограмм на дифрактометре ДРОН3.0.
Микротвердосгь поверхности исследовалась на приборе ПМТ-3 с соблюдением ГОСТ 9450-76 по методике "косого" галифа, чю позволило увеличить в 30 раз протяженность исследуемой зонт образца, повысить точность и снизить трудоемкость измерений. Параметры шероховатости поверхности измерялись на профилографе-профилометре модели 252 в соответствии с ГОСТ 2789-73. Производительность обработки оценивалась по величине удельного съема металла.
Адгезионная прочность износостойких TiN покрытий определялась на приборе LSRN по методике царапания тонкопленочного покрытия алмазным конусом Роквелла. Пористость ионно-плазменных TiN покрытий исследовалась методом индикаторных наст по ГОСТ 9.302-88.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Разработана физико-химическая модель ЗИП, позволившая объяснить механизм съема металла с обрабатываемой поверхности, теоретически рассчитать толщину парогазовой оболочки и доказать зависимость скорости съема металла от формы обрабатываемой поверхности.
Предложена методика и устройство для измерения толщины парогазовой оболочки, исследования единичного разряда и объемного распределения электрического потенциала в электролитической ванне.
Установлена взаимосвязь физико-механических свойств и структуры поверхности от состава электролита я режимов ЗИП, позволившая устранить снижение микротвердости поверхностного слоя И обеспечить равенство скоростей растворения основных структурных составляющих корро-зионностойких сталей по разным кристаллографическим плоскостям.
Установлена зависимость адгезионной прочности и пористости ионно-плазменных покрытий от метода предварительной подготовки поверхности, позволившая значительно улучшить качество износостойких йонно-плазменных покрытий.
Практическая значимость полученных результатов. Полученные в настоящей работе результаты теоретических и экспериментальных исследований, на базе которых разработаны оборудование и технология ЗИП коррозионностойких и углеродистых конструкционных сталей, в настоящее время внедрены на многих машино- и приборостроительных
предприятиях Республики Беларусь и за ее пределами. Два типа полуавтоматических универсальных установок для ЭИП выпускаются серийно.
Результаты работы, внедренные в производство, позволили повысить качество изделий и производительность труда, ликвидировать ручной труд на отделочных операциях, улучшить экологию и получить значительный экономический эффект. В настоящее время разработанные технология и оборудование ЭИП используются в качестве коммерческого продукта.
Разработанные технические решения защищены авторскими свидетельствами СССР № 1630329,1662123,1665727 и 1744437.
Основные положення диссертации, вьшосимые на защиту.
-
Физико-химическая модель ЭИП. Теоретический расчет толщины парогазовой оболочки для случаев ЭИП плоской, выпуклой и вогнутой поверхностей.
-
Методика исследований единичных разрядов в парогазовой оболочке и объемного распределения электрического потенциала в электролитической ванне.
-
Результаты исследований физико-механических свойств, химического состава и структуры поверхности и их зависимость от состава электролита и режимов ЭИП.
-
Результаты исследований геометрических параметров качеству полированной поверхности и их влияние на качество износостойких ион-но-плазменных покрытий.
-
Результаты исследований технологических параметров ЭИП кор-розионностойких и углеродистых конструкционных сталей.
-
Разработанный .технологический процесс ЭИП коррозионнострй-ких и углеродистых конструкционных сталей.
Личный вклад соискателя.. Основные научные и практические результаты диссертационной работы, а также положения, выносимые на защиту, разработаны и получены лично соискателем или при его непосредственном участии.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях:
-1988 год: "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытии, повышающих долговечность деталей машин" (г.Волгоград), "Вакуумные покрытия-88"(г.Минск), "Интенсификация и автоматизация отделочно-зачистной йбработки деталей машин и приборов" (г.Ростов-на- Дону);
-1989 год: "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и ' покрытий, повышающих долговечность деталей машин" (г.Волгрград), "Нестандартное оборудование, оснастка, механизация и прогрессивная технология машиностроительного производства" (г.Владимир), "XXXIII студенческая научно-техническая конференция вузов Белоруссии, Молдавии, Эстонии, Латвии, Литвы" (г.Минск);
-1990 год: "Повышение эффективности применения электрофизических и электрохимических методов обработки материалов" (г.Ленинград);
-1991 год: "Упрочнение^и защита поверхностей газотермическим и
вакуумным напылением" (г.Киев);
-1995 год: "Международная 51-я научно-техническая конференция профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА" (і .Минск);
- а также на кафедре "Технология машиностроения" БГПА.
Разработка была также представлена на выставках:
-1986 год: выставка медицинской техники стран - членов СЭВ с участием СФРЮ и Финляндии. Отмечена почетным дипломом;
- 1987 год: выставка достижений народного хозяйства СССР. Отме
чена бронзовой медалью.
Опубликованность результатов. По материалам диссертации опубликовано: 2 статьи в научных журналах, 3 статьи в научных сборниках, 12 тезисов докладов на научно-технических конференциях,-4 авторских свидетельства СССР, 3 информационных листка о научно-техническом достижении, 1 депонированная рукопись и 3 отчета о НИР. Материалы опубликованы на 372 страницах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, оглавления, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Полный объем диссертации включает 163 страницы машинописного текста, в том числе: 63 рисунка, 9 таблиц, 153 библиографических источника, приложения на 20 страницах.
