Содержание к диссертации
Страница
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Электрохимическое формообразование металлов и сплавов 9
1.1 .Физико-химические основы процесса электрохимического
формообразования 9
1.2. Преимущества и недостатки метода и сфера применения 11
1.3. Основные условия проведения процесса ЭХФ 13
-
Анодное поведение металлов и сплавов при ЭХФ 22
-
Качество и точность при ЭХФ 29
2. Оборудование, материалы и методы исследования поверхностных слоев
после ЭХФ 40
-
Оборудование для электрохимического формообразования 40
-
Материалы и методика подготовки образцов для исследования 43
-
Методы исследования поверхностного слоя образцов 47
3. Исследование поверхности, образующейся в результате ЭХРО 48
3.1. Исследование микрорельефа поверхности инструментальных сталей,
образующейся в результате ЭХФ 48
-
Исследование микрогеометрии поверхности образцов инструментальных сталей, образующейся при электрохимическом формообразовании 49
-
Исследование микрогеометрии рабочей поверхности металлообрабатывающего инструмента, изготовленной различными методами 67
3.2. Исследование микротвердости поверхностных слоев инструментальных
сталей, образующихся при импульсно-циклическом электрохимическом
формообразовании 73
3.3. Исследование состава поверхностного слоя инструментальных сталей до
и после электрохимической размерной обработки 75
4. Влияние параметров ЭХФ на производительность и точность обработки
4.1. Зависимость обработки инструментальных сталей от условий прокачки
раствора электролита в межэлектродном промежутке и амплитуды
технологического напряжения 100
4.2. Влияние параметров импульса технологического напряжения на
производительность и точность , 103
4.3. Зависимость обработки инструментальных сталей от их фазового и
химического состава с оценкой точности копирования по торцу 120
5. Электрохимическое формообразование деталей сложной формы 122
5.1. ЭХФ при изготовлении высокоточного сложнопрофильного
металлообрабатывающего инструмента 122
5.2. Восстановление изношенного инструмента после наплавки на него
упрочняющего сплава 132
-
Изготовление чеканочных штампов 139
-
Изготовление инструмента и деталей машин с помощью многоместной
оснастки 141
ВЫВОДЫ 145
ЛИТЕРАТУРА 149
Приложения 155
Введение к работе
В настоящее время известно множество способов размерцой обработки материалов, которые по виду энергии, используемой для формообразования, подразделяют на механические, электрические, тепловые и химические методы. При производстве деталей до сих пор главным образом прибегают к механической обработке, зарождение которой относится к весьма далёкому прошлому. В то же время, наблюдается расширение областей применения появившихся в тридцатые-сороковые годы XX века электрических методов, и в настоящее время они занимают важное место в технологии машиностроения. Тепловые методы в основном используют для получения заготовок, термической обработки и др. Химические методы при изготовлении деталей находят лишь ограниченное применение. До определённого времени механическая обработка решала задачи, которые ставила перед ней развивающаяся техника. Однако уже в середине XX века обострилась проблема обрабатываемости новых конструкционных материалов, связанная с кинематикой процесса и значительными силами резания. Обработка деталей из таких новых материалов резанием затруднена, а в ряде случаев вообще невозможна. К современным операциям, которые трудно или вообще невозможно выполнить механической обработкой, относятся: прорезание каналов аэродинамического профиля, прошивание отверстий и щелей очень малых размеров, выполнение различных операций в труднодоступных местах деталей, изготовление сложнопрофилыюго инструмента, такого как литьевые, выдувные и пресс-формы, штампы ковочные и чеканочные, накатной и высадочный инструмент. Во всех указанных и во многих других случаях эффективными являются методы формообразования, получившие общее название электрофизических и электрохимических методов размерной обработки материалов. Эти процессы обычно подразделяют на четыре группы: электроэрозиониые, при которых материал с заготовки удаляется в результате действия электрических разрядов; электрохимические, где электрическая энергия затрачивается на анодное растворение заготовки; лучевые, основанные на воздействии высококонцентрированиых потоков энергии, и ультразвуковые, в которых обрабатываемый материал механически скалывается.
Электроэрозионное и электрохимическое формообразование имеют много общего, несмотря на различия самих физико-химических принципов. Так, оба процесса предназначены только для съёма материала заготовки, формообразование в любом случае необратимо, и удалённый припуск невозможно восстановить. Твёрдая исходная заготовка выбирается из того же материала, из которого должна быть изготовлена деталь, и обработка сводится к изменению только геометрических параметров заготовки. Для каждого из процессов необходимы два электрода, между которыми подаётся электрическое напряжение. Одним из электродов служит сама заготовка, вторым - другое твёрдое тело, которое по аналогии с механической обработкой называют инструментом. Заготовка и инструмент не касаются друг друга и отделены межэлектродным промежутком (МЭИ), заполненным соответственно подобранной рабочей средой. В случае электрохимической обработки электрод-инструмент ие подвержен износу. Именно этой особенностью обусловлены перспективы использования и уникальность метода, позволяющего получать в принципе неограниченное число копий с одного инструмента.
Если для съёма материала заготовки используют электрохимический метод, то рабочей средой служит электропроводная жидкость, в которой могут существовать ионы вещества заготовки. В электрохимической размерной обработке (ЭХРО) рабочей средой служит водный раствор электролига, с большой скоростью прокачиваемый через МЭП. Вследствие наличия МЭП конфигурации обрабатываемой части электрода-заготовки и инструмента не совпадают. Отличие обеих конфигураций тем меньше, чем уже МЭП. Если МЭП узкий, то может применяться электрод-инструмент, имеющий точно такую же поверхность, которую требуется получить у детали; инструмент называют некоррелированным, а процесс формообразования - простым отображением или копированием. Отвод продуктов обработки и теплоты из МЭП происходит благодаря протеканию рабочей среды вдоль электродов. Сужение МЭП ведёт к росту энергетических затрат на перемещение рабочей среды и, следовательно, к замедлению её движения, уменьшению скорости отвода продуктов обработки и теплоты из промежутка. Поэтому сужение МЭП, необходимое для повышения точности обработки, обычно сопровождается падением производительности.
Конечными критериями качества процесса ЭХРО являются: отклонение размеров детали от чертежа, разность между полученной и заданной глубиной поверхностного изменённого слоя и, наконец, несовпадение достигнутого и заданного классов шероховатости. Цель процесса ЭХРО - это, во-первых, достижение конечных параметров в пределах допусков, а во-вторых, производство годной детали оптимальным путём, т.е. при наименьшем значении интегрального критерия качества процесса (времени обработки, расхода энергии и т.д.). Важнейшими особенностями ЭХРО являются наряду с непрерывным прокачиванием электролита через зону обработки и непрерывное перемещение электрода-инструмента со скоростью, равной скорости растворения заготовки. Следствием этого другими важными особенностями стали высокие плотности тока и малые (десятые и сотые доли миллиметра) межэлектродные зазоры. ЭХРО - это прежде всего высокоинтенсивный процесс. Ни один другой процесс металлообработки не осуществляется со столь высокими скоростями. Названные особенности характеризуют ЭХРО как процесс электрохимической технологии. Следует также отметить, что возможность осуществления бесконтактного формообразования, обработки труднообрабатываемых механическими способами металлов и сплавов, а также деталей сложной формы, отсутствие износа инструмента характеризуют ЭХРО как прогрессивный способ металлообработки.
Однако развитие метода было заторможено на рубеже 80-90-х гт. поскольку не были выявлены до конца количественные закономерности процессов, контролирующих протекание обработки. Также не было установлено должной взаимосвязи теоретического обоснования метода с экспериментальными результатами и наработками. Традиционно считалось, что условия электрохимической размерной обработки (ЭХРО) определяются группами величин, описывающих физико-химические свойства катода-инструмента, заготовки, геометрические свойства МЭП, скорость относительного перемещения электродов. свойства рабочей среды и электрофизические характеристики межэлектродного процесса. В то же время, мало внимания уделялось изучению морфологии образующейся при ЭХФ поверхности, зависимости шероховатости поверхности от фазового, структурного и химического состава заготовки, изменению химического состава поверхностных слоев заготовки. Работы, посвященные влиянию легирующих элементов, входящих в состав инструментальных сталей, на качество поверхности и точность обработки, как и результаты исследований глубины изменения поверхностного слоя после ЭХРО, в литературе практически не представлены. Анализ литературных данных также показал, что до настоящего времени при использовании импульсно-циклического метода ЭХФ основное внимание уделялось влиянию амплитуды анодного потенциала, импульсы которого синхронизированы с механическими колебаниями электрода-инструмента, на производительность и точность обработки. Однако форма импульсов технологического напряжения в неменьшей степени влияет на основные критерии электрохимического формообразования.
Диссертация выполнена в Институте химии твердого тела УрО РАН в соответствии с планами Федеральной целевой научно-технической программы 01.20 0.1 16039 «Высокоскоростное анодное электрохимическое формообразование безвольфрамовых композиционных материалов в нитратных водных растворах» и научно-исследовательских работ по бюджетной тематике «Ионный массоперенос в потоке нейтральных водных электролитов, как инструмент получения высокоточных сложнопрофильпых деталей машин и механизмов» (№ гос. регистрации 01.0.40 002308).
Цель работы - изучить влияние вольфрама, ванадия, молибдена, хрома и марганца как легирующих элементов в инструментальных сталях на качество поверхности, образующейся в результате электрохимического формообразования и точность обработки.
Задачи:
Изучить характеристики поверхности инструментальных сталей (фазовый состав, микрорельеф, микротвердость), образующейся в процессе ЭХРО.
Исследовать элементный состав поверхностных слоев, а также распределение элементов анода-заготовки по глубине, после механической обработки и ЭХРО инструментальных сталей.
Изучить зависимость производительности и точности электрохимической обработки инструментальных сталей от гидродинамических условий в межэлектродном промежутке и электрических параметров процесса.
Разработать технологии изготовления и восстановления методом ЭХРО сложнопрофилыгого металлообрабатывающего инструмента из сталей, легированных редкими металлами.
Научная новизна работы:
1. Впервые методом сканирующей туннельной микроскопии изучена поверхность инструментальных сталей, полученная в пемодельпых условиях импульсно-циклической электрохимической размерной обработки. Установлена зависимость микрошероховатости образующейся при ЭХРО поверхности от характера легирующих элементов.
2. Впервые выполнено систематическое исследование элементного состава поверхности, а также распределение элементов по глубине, после механической обработки и ЭХРО инструментальных сталей. Установлено изменение количественного соотношения элементов в поверхностных слоях инструментальных сталей, обработанных механическим и электрохимическим методами.
3. Впервые выполнены исследования влияния параметров импульсно-циклической электрохимической размерной обработки (давления электролита на входе в МЭИ, вибрации электрода-инструмента, формы и длительности импульса анодного потенциала и т.п.) на качество образующейся поверхности и точность обработки, проведенные в реальных условиях на промышленном оборудовании.
4. Впервые установлена зависимость точности электрохимического формообразования инструментальных сталей и качества образующейся при этом поверхности от наличия и характера легирующих элементов (W, V, Мо, Сг, Мп).
Практическая значимость работы. В проведенных исследованиях представлен комплексный подход к поиску оптимальных технологических параметров, позволяющих изготавливать и восстанавливать сложный металлообрабатывающий инструмент и детали машин с допусками не более 0,01 мм и классом шероховатости не менее 8, Разработаны и запатентованы способы размерной электрохимической обработки, позволяющие изготавливать и восстанавливать сложный металлообрабатывающий инструмент и детали машин с допусками 0,01 мм. Результаты работы внедрены в производство для изготовления высокоточного инструмента. В частности на Ревдиггском метизно-металлургическом заводе внедрение полученных результатов позволило полностью отказаться от традиционного фрезерного изготовления накатных плашек и холодного выдавливания отделочных пуансонов, используемых для массового изготовления самонарезающих винтов, соответствующих стандартам ИСО (РИСО). Часть запатентованных результатов внедрена на ОАО «Турбомоторный завод» (г.Екатеринбург), где используется для восстановления корпусов эжекторных сверел глубокого сверления маслоканалов дизельных двигателей.
Положения, выносимые на защиту:
1. совокупность параметров микрорельефа поверхности, образующейся при ЭХРО инструментальных сталей, и их взаимосвязь с легирующими элементами;
2. результаты исследования микротвердости поверхностных слоев инструментальных сталей, образующихся при импульсно-циклическом электрохимическом формообразовании;
3. воздействие механической и электрохимической обработки на состав поверхностных слоев инструментальных сталей;
4. влияние параметров импульса технологического напряжения, условий прокачки раствора электролита в межэлектродном промежутке и амплитуды технологического напряжения на производительиость и точность при электрохимической обработке инструментальных сталей;
5. влияние фазового и химического состава легированных сталей на точность ЭХФ. Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, выводы, список литературы и приложения. Общий обьем работы составляет 155 страниц, включая 91 рисунок, 19 таблиц и библиографию из 75 наименований.
По теме диссертации опубликовано 18 работ, среди которых 2 патента РФ. 1 свидетельство на полезную модель РФ, 4 статьи в центральных научных периодических изданиях.
