CC BY
28
УДК 631.3
ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПОЛОСОВЫМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМ
ИСТОЧНИКОМ
А.В. Морозов, Г. Д. Федотов, С.Н. Петряков, А.Ю. Горшков, Д.Р. Мушарапов
Рассмотрены критерии выбора формы и материала инструмента для электромеханической обработки отверстий деталей машин полосовым высокотемпературным источником. Выполнены исследования влияния температуры и времени на окалиностойкость твердосплавных материалов.
Ключевые слова: электромеханическая обработка, электромеханическая обработка полосовым высокотемпературным источником, долговечность инструмента, инструментальные материалы
Одной из технологических проблем эффективной реализации электромеханической обработки (ЭМО) отверстий деталей всего размерного ряда является невозможность обработки отверстий диаметром менее 40 мм. Это связано с конструктивными особенностями инструментальных приспособлений, применяемых при традиционных способах ЭМО точечным высокотемпературным источником [1]. Конструкция данных приспособлений не позволяет их устанавливать в отверстие деталей диаметром менее 40 мм.
Актуальность данной проблемы очевидна, так как суммарный объем деталей техники разнообразного назначения с отверстиями диаметром менее 40 мм составляет около 40 % от общего количества деталей с отверстиями. Вместе с тем, отсутствуют эффективные технологии, позволяющие существенно повышать твердость поверхности отверстий данных диаметров.
Решением проблемы является выполнение ЭМО отверстий малого диаметра полосовым высокотемпературным источником, перемещающимся вдоль оси обрабатываемого отверстия, а не по винтовой линии, как это предполагается при традиционной технологии ЭМО точечным высокотемпературным источником [2, 3, 4, 5], что значительно упрощает конструкцию инструментальной оснастки.
Основными способами ЭМО отверстий полосовым высокотемпературным источником являются поверхностное электромеханическое дорно-вание (ПЭМД), объемное электромеханическое дорнование (ОЭМД) и избирательная электромеханическая закалка (ИЭМЗ) [2].
При выполнении этих операций в зоне контакта «инструмент - деталь» достигаются температуры до 1300...1350 °С.
258
При электромеханической закалке в качестве инструментальных материалов возможно использование бронзовых сплавов. Во всех остальных случаях применяются вольфрамосодержащие и безвольфрамовые твердые сплавы [6].
Если при проведении ЭМО наружных поверхностей в отделочно-упрочняющем режиме твердосплавным инструментом формой пятна контакта является эллипс, то при ЭМО отверстий дорном формой пятна контакта является развернутая полоса, площадь которой в десятки раз больше [2, 3].
При этом резко ухудшаются условия теплообмена, и инструмент работает в более жестком термо-силовом режиме, что предъявляет повышенные требования к физико-механическим свойствам материала инструмента.
Эффективность применения процессов ЭМО отверстий полосовым высокотемпературным источником и дальнейшее научное развитие данного направления связаны с изучением характера взаимодействия инструмента с поверхностью обрабатываемой детали в зависимости от теплофи-зических и механических свойств контактирующих материалов, и выработкой научно обоснованных критериев выбора типа, формы и материала инструмента.
Критериями выбора инструмента при ЭМО отверстий полосовым высокотемпературным источником являются требуемое качество обработанной поверхности и его долговечность. В статье приведены рекомендации по выбору формы и материала инструмента в зависимости от вида обработки и требуемых свойств обрабатываемой поверхности.
Долговечность инструмента во многом определяет эффективность процесса ЭМО отверстий полосовым высокотемпературным источником. Анализ литературных источников и проведенных исследований позволяют сделать вывод о том, что основными видами изнашивания материала инструмента при ЭМО отверстий полосовым высокотемпературным источником будут: абразивный, адгезионный, диффузионный и электроэрозионный [6].
Анализ литературных источников в области ЭМО показал, что основными факторами, влияющими на стойкость инструмента, являются его форма и материал, из которого он изготовлен (рис. 1).
Для осуществления ПЭМД и ОЭМД в качестве рабочего инструмента используется дорн [2, 3]. В связи с ограничивающими факторами технологического процесса, такими, как мощность силового модуля установки ЭМО и техническими характеристиками универсальных станков, дорн рекомендуется изготавливать с заборной и задней частью в виде конуса (рис. 2, а). Угол заборного конуса должен составлять 25...300, а угол
задней части конуса - 15...20°. Ширина рабочей ленточки должна находиться в пределах 0,8... 1,0 мм, а острые грани, образующие данную ленточку, скруглены.
I------------------------------------------------1
Рис. 1. Выбор инструмента для ЭМО отверстий полосовым высокотемпературным источником
При ЭМД в ряде случаев предпочтительно использовать сферический инструмент [7] (рис. 2, б). Данный инструмент рационально использовать при ПЭМД стальных деталей с учетом того, что натяг обработки будет не менее 0,05 мм, чтобы не допустить проискривания в зоне контакта. Также сферический инструмент можно использовать при ОЭМД бронзовых втулок, так как данный процесс предусматривает менее жесткие требования к технологическим режимам. Кроме того, применение сферического инструмента позволит повысить производительность процесса, так как он не соединен с толкателем, что исключает операции установки и снятия.
Шероховатость рабочей поверхности твердосплавных инструментов должна находиться в пределах 12... 13-го классов, что достигается полированием.
ai
а
в
Рис. 2. Форма инструмента для ЭМО отверстий полосовым
высокотемпературным источником: а - дорн с заборной и задней частью в виде конуса; б - дорн сферической формы; в - фасонный инструмент
Процессы ЭМО полосовым высокотемпературным источником обуславливаются совмещением давления с тепловыделением в зоне контакта инструмента с деталью, электрическим током и трением инструмента по детали, в результате чего температура в зоне контакта может достигать 1350 °С. В связи с этим материал инструмента должен иметь высокую твердость, теплостойкость, хорошую теплопроводность и электропроводность.
При осуществлении процессов ЭМД на инструмент кроме высоких температур, действуют большие контактные давления, которые существенно влияют на стойкость.
В связи с этим инструмент рекомендуется изготавливать из твердых сплавов с низким коэффициентом трения. В результате исследований было установлено, что наиболее предпочтительными марками твердых сплавов являются ВК8, Т15К6, КНТ16, что также согласуется с ранее проведенными исследованиями в области ЭМО [6].
Основными критериями, определяющими долговечность твердосплавного инструмента при ЭМО полосовым высокотемпературным источником, являются окалиностойкость и твердость.
Исследования по окалиностойкости приводили на неперетачивае-мых твердосплавных пластинах одного типоразмера (рис. 3). При температуре испытания в 700 °С разница в окислении с увеличением времени выдержки сказывается значительно только для однокарбидного твердого сплава ВК8 - с увеличением времени выдержки в 8 раз (0,5 ч и 4 ч) прирост по массе образца составил 0,095 г (увеличился в 19 - 20 раз). Для двухкарбидных твердых сплавов T15K6 и безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбонитридов титана KHT16 увеличение в массе составило 0,005 г (в 2 раза). Увеличение температуры испытания на 100 °С (800 °С) приводит к увеличению интенсивности окисления твердого сплава ВК8 в 8 (т = 0,5 ч) - 10 (т = 3.. .4 ч) раз, а сплава T15K6 - в 2 - 30 раз соответственно. Однако при большей интенсивности окисления твердого сплава T15K6 по сравнению с ВК8 абсолютное значение прироста массы образцов у T15K6 в 1,5 - 2 раза меньше, чем в ВК8. Окалиностойкость твердого сплава KHT16 с увеличением температуры до 800 °С практически не изменилась, хотя увеличение времени испытания и вызывает увеличение по окислению образцов примерно в 1,5 - 2 раза. Дальнейшее увеличение температуры испытания до 900 °С резко снижает окалиностойкость твердых сплавов ВК8 и T15K6 и приводит к разрушению образцов (рис.4).
а б в
Рис. 3. Влияние температуры и времени испытания на окалиностойкость твердосплавных материалов: а - 700; б - 800; в - 900 °С; 1 - T15K6; 2 - ВК8; 3 - KHT16
Внешний вид образцов из KHT16 после испытаний остался без изменения, прироста по массе и изменение размеров по сравнению с температурами 700 и 800 °С не обнаружено (рис. 4). Некоторое увеличение окалиностойкости твердого сплава T15K6 объясняется присутствием стойких соединений карбидов титана (по сравнению с карбидом вольфрама у одно-
262
карбидных твердых сплавов). В составе твердого сплава KHT16 имеются весьма стойкие к температурным воздействиям соединения карбонитридов титана.
КНТ16
Т15К6
ВК8
Рис. 4. Внешний вид образцов из твердых сплавов после испытаний на окалиностойкость при температуре 900 °С в зависимости
от времени
Проведенные испытания и их анализ позволяют рекомендовать твердый сплав KHT16 в качестве инструмента для ЭМД отверстий стальных деталей как обладающего повышенной износостойкостью и весьма высокой окалиностойкостью по сравнению с вольфрамосодержащими твердыми сплавами ВК8 и Т15К6. Твердый сплав Т15К6 можно применять для ЭМД отверстий стальных деталей при мягких режимах и ОЭМД бронзовых втулок. Твердый сплав ВК8 в качестве инструмента без охлаждения или смазки применять не следует, т.к. температуры в 700...900 °С (температуры фазовых превращений среднеуглеродистых сталей) вызывают резкое снижение окалиностойкости и износостойкости (табл. 1).
При ОЭМД бронзовых втулок [4, 5, 8] на рабочей поверхности дорна часто появляется тонкий слой плотно налипшего металла - налет (рис. 5). Обычно налет располагается по наивысшей части заборного конуса дорна и в конце цилиндрической ленточки. Появление налета сопровождается возникновением царапин и рисок на обрабатываемой поверхности и в некоторых случаях приводит к браку обработанных деталей.
Таблица 1
Химический состав и физико-механические свойства твердых сплавов, применяемых для упрочняющего инструмента
Марка Физико-механические свойства
Твердость, НЯС Теплопроводность, Вт/(м- К) Электропроводность См/с Окалиностой- кость, г, (выдержка при 900°С 4 часа)
ВК8 87,5 0,59-102 4,83-106 1,42
Т15К6 90,5 0,272-102 2,51-106 1,02
КНТ16 89,0 0,131-102 2,22-106 0,23
Налет бронзы
Рис. 5. Налет на рабочей поверхности дорна
Появление налета зависит от качества обработки поверхности дорнов.
Для снижения вероятности образования налета шероховатость поверхности дорна должна соответствовать 13-му классу, что достигается полированием.
Фасонный инструмент [9, 10, 11] (рис. 2, в) предназначен для осуществления ИЭМЗ поверхности отверстий, имеющих односторонний или двусторонний «эллипсный» износ, полосовым высокотемпературным источником [12]. Форма инструмента должна соответствовать профилю закаливаемой поверхности. В качестве материала для его изготовления целесообразно использовать бронзовые сплавы.
Для эффективного осуществления процесса ИЭМЗ инструмент следует изготавливать из бронзового сплава, имеющего хорошую теплопроводность, достаточную теплостойкость, а также обладающего упругими свойствами для увеличения площади фактического контакта.
В связи с этим рекомендуется использовать сплавы БрХ1, БрХ1Цр, БрНБТ, так как при повышенных температурах они обладают наиболее высокой прочностью из всех известных отечественных электродных сплавов.
Наличие у сплавов БрХ1, БрХ1Цр, БрНБТ упругих свойств, на уровне закаленной стали 45, позволит увеличить фактическую площадь контакта в первоначальный момент упрочнения. При этом появляется возможность для образования большего количества точек разогрева, чем при упрочнении твердосплавными роликами и устраняется возможность нарушения целостности поверхностей упрочняющего инструмента и детали. Высокую стойкость инструмента из сплавов БрХ1, БрХ1Цр, БрНБТ также обуславливают их мелкозернистая структура, высокая электропроводность (табл. 2), отсутствие в составе поверхностно-активных элементов, взаимодействующих с упрочняемым материалом путем диффузии и схватывания. Добавка циркония, повышающая температуру рекристаллизации меди и способствующая дополнительному упрочнению меди интерметаллами циркония Си47г, Си57г, обеспечила хромоциркониевым бронзам БрХЦр наряду с хромовыми БрХ1 широкое промышленное применение.
Таблица 2
Сравнительные характеристики бронзовых сплавов
Марка материала Твердость, НВ, МПа % от электропроводности меди Температура рекристаллизации, °С
Бронза БрХ1, Россия 1100...1300 70...80 350...450
Бронза БрХ1Цр, Россия 1200...1300 70...80 350...450
Бронза БрНБТ, Россия 1700...2400 45...55 500...550
Оценивая вышеизложенное, можно отметить, что для ПЭМД и ОЭМД с запрессовыванием тонкостенных стальных и бронзовых втулок в корпусные детали в качестве материала инструмента рационально использовать вольфрамосодержащие Т15К6, ВК8 и безвольфрамовые КНТ16 твердые сплавы.
При проведении ИЭМЗ внутренних поверхностей в качестве упрочняющего элемента инструмента целесообразно использовать бронзовые сплавы БрХ1, БрХ1Цр, БрНБТ, что позволит эффективно вести ИЭМЗ отверстий с большой площадью контакта.
Список литературы
1. Федотов Г.Д., Морозов А.В. Формирование свойств поверхности при отделочно-упрочняющей электромеханической обработке среднеугле-родистых сталей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 7. Ч. 2. С. 395 - 405.
2. Морозов А.В., Федотов Г.Д. Разработка классификации процессов электромеханической обработки отверстий движущимся высокотемпературным полосовым источником // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 3. С. 44 - 50.
3. Морозов А.В. Объемное электромеханическое дорнование тонкостенных стальных втулок: монография. Ульяновск, УГСХА им. П.А. Столыпина, 2013. 193 с.
4. Морозов А.В., Байгулов А.В. Формирование свойств поверхности при объемном электромеханическом дорновании втулок из бронзы Бр ОЦС 5-5-5 // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2011. № 4. С. 116 - 121.
5. Морозов А.В., Абрамов А.Е., Байгулов А.В. Качество прессового соединения, полученного объемным электромеханическим дорнованием бронзовых втулок в замкнутом объеме // Научное обозрение. 2013. № 1. С. 91 - 97.
6. Повышение эффективности отделочно-упрочняющей электромеханической обработки применением инструментальных материалов из безвольфрамовых твердых сплавов / Г. Д. Федотов, А.В. Морозов, В.П. Табаков, А.И. Аникеев // Упрочняющие технологии и покрытия. 2014. № 3. С. 24 - 30.
7. Пат. 145652 Российская Федерация. C21D8/10. Дорн для электромеханической закалки цилиндрических отверстий деталей / А.В. Морозов, Н.Н. Горев, Д.Р. Мушарапов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина». Заявл. 29.04.2014; опубл. 27.09.2014. Бюл. № 27.
8. Морозов А.В., Байгулов А.В. Влияние режимов объемного электромеханического дорнования на износостойкость бронзовых втулок // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2013. № 1. С. 155-160.
9. Пат. 123719 Российская Федерация. B29D30/12. Дорн для выборочной электромеханической закалки цилиндрических отверстий деталей / А.В. Морозов, Н.Н. Горев, А.Н. Рахимов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина». Заявл. 18.07.2012; опубл.10.01.2013. Бюл. № 1.
10. Пат. 123368 Российская Федерация. B29D30/12. Дорн для выборочной электромеханической закалки цилиндрических отверстий деталей / А.В. Морозов, Н.Н. Горев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина». Заявл. 11.07.2012; опубл. 27.12.2012. Бюл. № 36.
11. Пат. 2501614 Российская Федерация. МПК B21B25/00, B29D30/12. Дорн для выборочной электромеханической закалки цилиндрических отверстий деталей / А.В. Морозов, Н.Н. Горев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина». Заявл. 11.07.2012; опубл. 20.12.2013. Бюл. № 35.
266
12. Федорова Л.В., Морозов А.В., Фрилинг В.А. Повышение эффективности электромеханической закалки отверстий гладких цилиндрических подвижных сопряжений, испытывающих одностороннюю радиальную нагрузку // Ремонт, восстановление, модернизация. 2012. № 8. С. 49 -52.
Морозов Александр Викторович, канд. техн. наук, доц., alvi.mor@,mail.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П.А. Столыпина,
Федотов Геннадий Дмитриевич, канд. техн. наук, доц., GDFedo-tov48@yandex.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П. А. Столыпина,
Петряков Сергей Николаевич, канд. техн. наук, доц., gsspsn@mail.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновская государственная академия им. П.А. Столыпина,
Горшков Александр Юрьевич, асп., aleksul686@,gmail.com, Россия, Ульяновск, Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П.А. Столыпина,
Мушарапов Дамир Рузалевич, магистр, damir1993233arambler. ru, Россия, Ульяновск, Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П. А. Столыпина
THE PARTICULAR CHOICE OF TOOL FOR ELECTROMECHANICAL MACHINING OF HOLES IN MACHINE COMPONENTS BANDPASS HIGH-TEMPERATURE SOURCE
A.V. Morozov, G.D. Fedotov, S.N. Petrjkov, A.Yu. Gorshkov, D.R. Musharapov
The criteria for choosing the shape and material of the tool for Electromechanical machining of holes in machine components bandpass high-temperature source is explored. Research on the influence of temperature and time on oxidation resistance of sintered materials are performed.
Key words: electromechanical treatment Electromechanical treatment of a bandpass high-temperature source, long tool life, tool materials.
Morozov Aleksandr Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, alvi. mor@,mail.ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Agricultural Academy named after PA. Stolypin,
Fedotov Gennady Dmitrievich, candidate of technical science, docent, GDFedo-tov48@yandex.ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Agricultural Academy named after P.A. Stolypin,
Petrjkov Sergey Nikolaevich, candidate of technical science, docent, gsspsnamail.ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Agricultural Academy named after P.A. Stolypin,
Gorshkov Alexander Yuryevich, postgraduate, aleksul686@gmail.com, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Agricultural Academy named after P.A. Stolypin,
Musharipov Damir Rasulevich, master, damir1993233@rambler. ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Agricultural Academy named after P.A. Stolypin
УДК 620.178.162
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ ПОСЛЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ
Б.И. Ковальский, А.Н. Сокольников, В.Г. Шрам, О.Н. Петров, С.И. Иванова
Представлены результаты окисления товарного и предварительно термостатированных минеральных масел Лукойл Стандарт 10Ж-40 $¥/СС в диапазоне температур от 140 до 240 оС. Проведена сравнительная оценка процессов окисления смазочных масел по изменению оптических свойств. Предложен коэффициент сопротивления окислению предварительно термостатированных масел. Установлена температурная область увеличения потенциального ресурса масел после их предварительного термостатирования.
Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока, потенциальный ресурс, коэффициент сопротивления окислению, температурная деструкция, область сопротивления окислению.
В процессе эксплуатации двигателей на поверхностях трения под действием температур одновременно протекают процессы окисления, температурной и механической деструкции моторных масел и химические реакции металлических поверхностей с продуктами этих процессов с образованием комплексных соединений, влияющих на изнашивание. Оценка раздельного влияния продуктов этих процессов на состояние моторных масел позволяет более полно изучить процессы старения масел.
Целью настоящих исследований является анализ процесса окисления смазочных масел при различных температурных режимах предварительного термостатирования.
Методика исследования предусматривала испытания масел в два этапа. На первом этапе масло термостатировалось в течение 8 часов без перемешивания в диапазоне температур от 140 до 240 оС без доступа воздуха при атмосферном давлении с отводом конденсата. Температура тер-мостатирования увеличивалась на 20 оС при испытании новой пробы масла. Второй этап испытания заключался в окислении термостатированных
