CC BY
28
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
УДК 621.7.02
Влияние электрической активации на качество поверхности
при чистовой обработке пластичных материалов
М. Ю. Куликов, В. Е. Иноземцев, Д. А. Нечаев, У. Мо Наинг
Современные тенденции развития машиностроения направлены на повышение качества отделки деталей, особенно это касается деталей узлов трения и других деталей, работающих в сложныхуслови-ях с динамическими нагрузками. В связи с этим возникает необходимость обеспечения высокого качества поверхности при обработке металлокерамики и силумина, которые являются труднообрабатываемыми материалами. Для этого предлагается использовать электрическую активацию смазочно-охлаждающей технологической среды, применяемой в процессе механической обработки. Электрическая активация способствуют достижению необходимых параметров качества поверхности. Таким образом, при обработке металлокерамики достигается требуемая пористость и шероховатость поверхности, а при обработке силумина удается значительно снизить шероховатость.
Ключевые слова: металлокерамика, силумин, шероховатость, пористость, электрическая активация, машиностроение, обработка, параметры качества.
Одной из важнейших и актуальных проблем в машиностроении является исследование возможности достижения высокого уровня качества формируемой поверхности деталей, работающих в определенных условиях и обеспечивающих работоспособность отдельных органов машин и механизмов, а также работоспособность машины полностью. В связи с развитием машиностроительных технологий расширяется ассортимент применяемых материалов. Постоянно повышающиеся требования к качеству и характеристикам машиностроительной продукции диктуют необходимость повышения технических требований к качеству деталей, а также внедрения новых способов и технологий обработки применяемых материалов. К высокотехнологичным материалам также относятся металлокерамика и силумины, являющиеся труднообрабатываемыми.
Научными исследованиями [1] установлено, что механическая обработка пористых метал-локерамических материалов сопровождается очень существенными изменениями параметров качества поверхностного слоя деталей
из них, которые, в свою очередь, оказывают большое влияние на эксплуатационные свойства [1]. Поэтому изучение влияния условий механической обработки на качество поверхностного слоя деталей позволяет определить оптимальные параметры резания и увеличить эксплуатационные характеристики металло-порошковых и композиционных подшипников скольжения.
Важно отметить, что специфическим параметром качества поверхности деталей из металлокерамики является не только шероховатость, но и наличие поверхностной пористости, плотность которой контролируется после получения заготовок методами порошковой металлургии (до механической обработки). Наличие пор на поверхности подшипников скольжения обеспечивает заполнение их смазкой и реализацию процесса самосмазывания при эксплуатации, таким образом, первостепенная задача заключается в сохранении поверхностной пористости деталей после механической обработки, в результате которой происходит затягивание или замазывание пор
ЧЕТАППООЕ
металлом, включенным в состав обрабатываемой металлокерамики.
В связи с исследованием процесса формирования поверхности металлокерамических деталей были проведены собственные исследования по механической обработке брон-зографита, железографита и алюминиевых сплавов, применяющихся при изготовлении подшипников скольжения и корпусных деталей соответственно. Также экспериментально было отражено влияние механической обработки на плотность пор поверхностного слоя заготовок из спеченных металлокерамических материалов в соответствии с прогрессивной методикой определения плотности содержания пор [2] и более подробно описано в научных трудах международной практической конференции [3].
Чистовая обработка осуществлялась резцами из таких инструментальных материалов, как: быстрорежущая сталь Р6М5К5, твердый сплав Т5К10, керамика ОМТ 20 и ВО 75, алмазный резец, а также твердый сплав с покрытием нитрида титана Т1К. Также была осуществлена абразивная обработка одного из образцов шлифовальной шкуркой 14А СФЖ У1С (ГОСТ 13344-79) с размером зерна 28-40 мкм.
По результатам обработки выявлено изменение плотности пор в зависимости от вида применяемого материала режущего инструмента. Таким образом, при точении бронзогра-фита быстрорежущей сталью без применения СОТС максимальное значение общей пористости составило 9,4 % от объема всей заготовки, с применением СОТС — около 14 %. Для обработки твердым сплавом Т5К10 без СОТС пористость составила 23,1 %, с применением СОТС — 23,6 %, но структура поверхностного слоя при этом сильно нарушена. При точении керамикой ОМТ 20 наилучшее значение пористости достигло 18,6 %, ВО 75 — 22 %, алмазом — 22,8 %. Оптимальные результаты были достигнуты при использовании твердосплавного инструмента с покрытием Т1К, а также абразива — 23 %.
При абразивной обработке бронзографита плотность пор выше при резании на низких скоростях — до 60 м/мин. Плотность пор после обработки шлифовальной шкуркой ниже, чем после резания твердым сплавом с покры-
тием. Существенное влияние на уплотнение поверхностного слоя в процессе шлифования оказывает пористость — чем больше пористость обрабатываемого материала, тем выше степень его уплотнения [1].
Также в результате исследований установлено значительное влияние используемого инструментального материала на шероховатость полученной поверхности. Необходимо учитывать, что шероховатость рабочих поверхностей для подшипников скольжения Яа должна составлять 0,63-1,25 мкм. По результатам проведенных исследований минимальные значения чистоты поверхности наблюдаются при точении бронзографита резцом из быстрорежущей стали Р6М5К5 с применением СОТС на скорости до 17 м/мин — Яа = 1,205 мкм, наиболее лучший результат достигается при точении резцами с керамикой ОМТ 20 на скорости до 130 м/мин — Яа = 0,39 мкм, а также твердосплавной пластиной с покрытием Т1К на скорости до 150 м/мин — Яа = 0,4 мкм. При абразивной обработке бронзографита наиболее лучшие показания шероховатости Яа составили 0,8 мкм при скорости до 120 м/мин.
Установлено, что затягивание или замазывание пор происходит в результате контактного взаимодействия между инструментальным и обрабатываемым материалом, которое зависит от плотности обрабатываемого материала, геометрических параметров и материала инструмента и микрорельефа его поверхности, применяемых покрытий. При точении металлоке-рамических спеченных материалов режущая кромка инструмента сначала сминает, а затем срезает часть слоя припуска, при приближении зоны контакта «инструмент—заготовка» к кратеру поры происходит смятие срезаемого материала, часть которого выходит из зоны резания в полость пор. При этом деформируется верхний слой заготовки. Большое содержание меди и пористая структура бронзографита способствуют тому, что при резании инструмент сминает обрабатываемую поверхность, создавая в верхнем слое остаточные внутренние напряжения, в результате увеличивается прочность в поверхностном слое, но одновременно уменьшается внутренний объем пор, находящихся в поверхностном слое.
Плотность пор значительно повышается при использовании режущего инструмента
с острой режущей кромкой. При механической обработке деталей из пористых метал-локерамических материалов инструменты изнашиваются более интенсивно в отличие от обработки литых материалов. Это объясняется нестабильностью протекания процесса механической обработки, связанной с несплошностью материала, пониженной теплопроводностью таких материалов до 2-3 раз в отличие от компактных, что приводит к концентрации теплоты, выделяющейся при механической обработке, повышенным воздействием на режущий инструмент за счет повышенного удельного давления и меньшей площади взаимодействия инструмента и заготовки [1].
Таким образом, выбор инструментального материала, выбор режимов резания, применение СОТС оказывают большое влияние на степень затягивания пор в бронзографите, при этом сильно изменяется шероховатость поверхности. Использование эффективных СОТС способствует улучшению условий механической обработки металлокерамики за счет уменьшения интенсивности контактного взаимодействия между инструментом и обрабатываемой деталью. Также эффективно использовать для обработки твердосплавный режущий инструмент с износостойким покрытием, имеющий минимальный радиус вершины.
Более эффективный метод повышения плотности пор — подвергнуть изделие воздействию поверхностно-активных веществ, травлению или электрической активацией СОТС. С ростом плотности пор шероховатость поверхности изделия также возрастает, что объясняет значимость максимальной чистоты поверхности после финишной механической обработки.
Научно-практическими исследованиями по обработке металокерамических материалов установлено, что эффективным способом для получения требуемых параметров качества поверхностного слоя деталей является механо-электрохимическая обработка или обработка с электрической активацией СОТС. Данный способ позволяет достичь качества поверхности труднообрабатываемых материалов, превосходящего качество поверхности после лезвийной обработки.
Механоэлектрохимическая обработка представляет собой одновременное удаление основной части припуска и последующее воздействие на поверхность электролита с пропусканием электрического тока. Анодом служит поверхность обрабатываемой заготовки, в качестве катода используется металлический шланг, используемый для подвода СОТС в зону резания, установленный относительно заготовки с зазором 0,1-0,3 мм и контактирующий с обрабатываемой поверхностью. Электролит подается в данный зазор в виде регулируемой струи [4, 5]. Сила тока и напряжение зависят от режимов резания, марки обрабатываемой металлокерамики, вида материала инструмента и его геометрических параметров. Анод к источнику питания подключается через динамическое токосъемное устройство. Эффективность обработки повышается при использовании в качестве СОТС химически активного раствора с хорошей то-копроводностью. Структура бронзографита до и после обработки показана соответственно на рис. 1 и 2.
Как показали результаты экспериментов, максимальное значение плотности пор наблюдалось после обработки бронзографита с электрической активацией СОТС (25%-ный водный раствор сульфата меди Си804) с применением инструмента из твердого сплава с износостойким покрытием ПК при скорости резания V = 141 м/мин, силе тока I = 2,4 А и составило — 24,7 %, шероховатость поверхности составила Яа = 0,9 - 1,2.
Рис. 1. Структура бронзографита до обработки
Рис. 2. Структура бронзографита, обработанного с активацией СОТС, Яа = 1,2 мкм
Механическая обработка материалов на основе алюминия сопровождается задирами на поверхности, выходящей из-под резца, а также налипанием удаляемого материала на режущую кромку инструмента, что приводит к снижению эффективности резания, повышенному тепловыделению и износу инструмента. Для достижения высокого качества поверхности при резании силуминов рекомендуется использовать специальные режущие пластины с алмазоподобным углеродным покрытием и другими износостойкими покрытиями. При этом режущий инструмент должен обладать большим передним углом, малым радиусом округления режущей кромки р и малым радиусом вершины инструмента г. В целях снижения шероховатости возможно добавление в СОТС химических реактивов, снижающих прочность удаляемого слоя материала. Анодно-механическая обработка силумина с применением 30%-ного водного раствора хлорида натрия №С1 с добавлением 2 % нитрата натрия №N0 (для снижения действия электроэрозии) при скорости резания V = 250 м/мин позволила получить поверхность с шероховатостью Яа = 0,52 ■ 0,6, напряжение
и = 24 В, подача 5 = 0,05 мм/об, глубина резания £ = 0,5 мм.
Использование предложенных мер позволяет обеспечить достижение необходимых параметров качества и осуществлять регулирование интенсификации съема удаляемого технологического припуска при изменении концентрации электролита, являющегося смазочно-охлаждающей технологической средой, а также за счет увеличения силы электрического тока, варьирования режимов резания.
Литература
1. Артамонов А. Я., Кононенко В. И., Большечен-
ко А. Т. Механическая обработка пористых металло-керамических материалов. Киев: УкрНИИНТИ, 1968. С. 28.
2. ГОСТ 18898-89 (ИСО 2738-87). Методы определения плотности содержания масла и пористости. М.: Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам, 1989.
3. Исследование качества поверхности металлоке-рамических спеченных материалов после их финишной механической обработки // Науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф. «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении». М.: Машиностроение, 2010. С. 305.
4. Иноземцев В. Е. Факторы, влияющие на технологические возможности металлокерамических спеченных материалов в процессе лезвийной чистовой обработки // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. № 4/2 (288). С. 61-66.
5. Иноземцев В. Е., Куликов М. Ю. Исследование влияния условий чистовой механической обработки металлокерамических спеченных материалов на качество образуемой поверхности // Межвуз. сб. науч. тр. «Физика, химия и механика трибосистем» Иванов. гос. ун-та. Вып. 10. Иваново: Трибологический центр ИвГУ, 2011. С. 88-93.
