Экспериментальные исследования технологических возможностей электрохимического формообразования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9.047

Технологии машиностроения

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

А.И. Болдырев, С.В. Усов, А.А. Болдырев, А.В. Мандрыкин

В статье рассматривается электрохимическое формообразование. Рассмотрены различные схемы обработки: неподвижным катодом-инструментом, протягиванием, в импульсно-циклическом режиме. Проведена экспериментальная оценка технологических возможностей разновидностей метода электрохимического формообразования. На основе полученных результатов комплекса исследований даны рациональные диапазоны режимов электрохимического формообразования

Ключевые слова: электрохимическое формообразование, достижимые показатели, рациональные режимы

Электрохимическое формообразование основано на анодном растворении обрабатываемого металла заготовки под действием электрического тока высокой плотности. В результате электрохимического воздействия изменяется форма, размеры и показатели качества поверхностного слоя [1]. Методы электрохимического формообразования обеспечивают достаточно высокие показатели по макро- и микрогеометрической точности. На практике наибольшее применение нашли следующие разновидности метода электрохимического формообразования: с неподвижным катодом-инструментом; электрохимическое протягивание; обработка в импульсно-циклическом режиме.

Экспериментальная оценка технологических возможностей разновидностей метода электрохимического формообразования выполнялась при проведении исследований на образцах деталей, изготовленных из сталей 35ХН2МФАШ (ГОСТ 4543-71), 30ХН2МФА (ГОСТ 1133-71), ОХН3МФА0100 (ГОСТ 2590-88).

Для проведения исследований спроектирована и изготовлена специализированная установка для реализации методов электрохимического формообразования, которая действует в следующих режимах:

- электрохимическое формообразование с неподвижным инструментом;

- электрохимическое протягивание;

- импульсно-циклическое формообразование.

Установка состоит из следующих основных

узлов: собственно станка, бака для электролита, насосного агрегата, камеры, устройства для подвода и охлаждения электролита, источника питания, пульта управления. В процессе обработки образец устанавливается в рабочей камере. Подача катода-инструмента осуществляется от двигателя постоянного тока Сл-681 через червячный редуктор. Вели-

Болдырев Александр Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: [email protected] Усов Сергей Вадимович - ООО «Технологические системы защитных покрытий», д-р техн. наук, профессор, тел. (926) 2103986

Болдырев Александр Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, ассистент, e-mail: [email protected] Мандрыкин Андрей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 221-06-95

чина торцевого и бокового межэлектродных зазоров контролируется посредством индикатора часового типа. Электролит в зону обработки подается из бака через фильтры. Подача электролита осуществляется насосом типа 25УВ - 08, приводимым во вращение электродвигателем Ао-63/2. Основные технические характеристики специализированной установки приведены в таблице.

Давление электролита в гидросистеме контролируется по манометру. Предохранительный клапан служит для предотвращения перегрузок гидросистемы. Регулирование давления электролита производится дросселем. Замер расхода электролита осуществляется расходомером. Осциллирующее движение катоду-инструменту сообщается от гидроцилиндра, золотника, электродвигателя, питающего гидросистему маслом из ванны через фильтр.

Обработка на установке образцов деталей реализуется на следующих режимных параметрах [2]:

1. Режимы электрохимического формообразования неподвижным катодом-инструментом:

- электролит - 10...15 % раствор №С1;

- напряжение - 14...18 В;

- плотность тока - 20...50 А/см2;

- величина межэлектродного зазора - 0,3... 1,2

мм;

- величина давления электролита - 6...20 МПа;

- продолжительность обработки - 200. 1400 с;

2. Режимы электрохимического протягивания:

- электролит - 10...15 % раствор №С1;

- напряжение - 14...18 В;

- плотность тока - 20...50 А/см2;

- величина межэлектродного зазора - 0,3-1,2

мм;

- величина давления электролита - 6...20 МПа;

- скорость перемещения катода-инструмента -100...240 мм/мин;

3. Режимы электрохимического импульсно-циклического формообразования:

- электролит - 10... 15 % раствор №К03;

- напряжение - 8...12 В;

- плотность тока - 20...50 А/см2;

- величина межэлектродного зазора - 0,08...0,15

мм;

- величина давления электролита - 12...20 МПа;

- скорость перемещения - 0,1...1,5 мм/мин;

- длительность импульса - 1...10 мс.

№ п/п Наименование технических характеристик Параметры

1 Размеры стола, мм 100х80

2 Ход инструмента, мм 120

3 Число двойных ходов инструмента, дв. ход/мин 0..20

4 Величина подачи инструмента, мм/мин 0,1.80

5 Технологический ток, А До 5000

6 Рабочее напряжение, В От 6 до 18

7 Габариты установки, мм 600х1800х450

8 Источник напряжения Модернизированный ИПП 5000/12 и ВАК 3200 24/12

9 Величина длительности импульса, мс 1. 10

10 Скважность 1. 10

11 Емкость бака, л 50

12 Температура электролита, С 25 ± 50С

13 Максимальный зазор, мм до 1,2

14 Частота питающей сети, Гц 50

15 Частота импульсов, Гц 150

16 Форма импульса Часть синусоиды

17 Напряжение сети, В 380

Установлено, что метод электрохимического формообразования с неподвижным катодом-инструментом обеспечивает значения макрогеомет-рической точности порядка 0,10...0,15 мм, при значениях шероховатости Яа 1,0...2,5 мкм. Метод

электрохимического протягивания обеспечивает достижение точности макрогеометрии в интервале 0,08...0,12 мм, а шероховатость поверхности определяется значениями Яа 1,0... 1,25 мкм. Формообразование в импульсно-циклическом режиме оценивается следующими диапазонами параметров: макро-геометрическая точность - 0,08...0,1 мм, шероховатость - Яа 0,8. ..1,0 мкм. В целом методы электрохимического формообразования образуют поверхностный слой, не внося в его химическое и фазовое состояние изменений по сравнению с основным материалом.

Результаты исследований твердости и остаточных внутренних напряжений поверхностного слоя показали, что увеличение продолжительности электрохимического растворения (1600...1700 с) вызывает снижение значений твердости. Одновременно эпюра внутренних остаточных напряжений в ходе растворения принимает сжимающий характер, образуя диапазон значений 100...600 МПа при выполнении требуемого выделенного интервала режимов как в импульсно-циклическом, так и при растворении на постоянном напряжении (для неподвижного инструмента: плотность тока - 30...40 А/см2; продолжительность обработки - 90...170 с; для электрохимического протягивания: плотность тока - 30...40 А/см2, продолжительность обработки - 1200...1300 с; для импульсно-циклического метода: плотность тока - 30...35 А/см2, продолжительность обработки -600...800 с).

Трибологические стендовые исследования показывают, что образцы, поверхность которых под-

вергается электрохимическому формообразованию на выделенных диапазонах режимов, характеризуются 5...10% приростом износостойкости, одновременно анализируемые фрактограммы показали подобный характер изнашивания и при электрохимическом полировании. При этом доля когезионного изнашивания намного увеличивается, создавая более протяженные светлые участки поверхности на колодке. Циклические знакопеременные испытания, испытания по определению диапазонов изменения значений ударной вязкости согласуются с выделенными выше диапазонами режимов. Так, долговечность образцов возрастает на 20...30%, что подтверждает полное исключение зарождения разрушения с поверхности образца, когда поверхностные макро -и микроконцентраторы напряжения полностью исключены и формируется сжимающий характер остаточных внутренних напряжений.

Термоциклические испытания показывают, что та специфика методов электрохимического формообразования, которая обеспечивает изменение определенных параметров качества, тем не менее, создает надежное, долговечное функционирование деталей при температурах до 930°С.

По результатам проведенного комплекса исследований необходимо отметить:

- установлена возможность образования поверхностей деталей при использовании высокого качества электрохимического метода (с неподвижным инструментом; электрохимическое протягивание; импульсно-циклическое формообразование), обеспечивающего макрогеометрическую точность в диапазоне 0,08...0,15 мм, шероховатость поверхности 0,6...2,5 мкм. Образованный поверхностный слой по химическому и фазовому составам не отличается от основного материала; величины твердости достигают значений (4,4...4,6)-103 МПа при глубине поверхностного слоя 0,1. ..0,2 мм. В то же время увеличение продолжительности электрохимического

растворения вызывает снижение твердости до (3,8...4,0)-10-3 МПа, образовывает эпюру внутренних напряжений сжатия, значения которых составляют 100...600 МПа. При этом все вышеназванные интервалы параметров качества определяются приводимыми ниже диапазонами режимов;

- комплекс стендовых испытаний обеспечил критериальное определение режимов метода электрохимического формообразования. Так, триболо-гические исследования определили характер контактного взаимодействия в виде когезионно-адгезионного механизма, при этом на контактных поверхностях формируются темные области со светлыми зонами, а интенсивность изнашивания в темной зоне наименьшая. Проведенные исследования по оценке долговечности в условиях циклического знакопеременного нагружения, диапазонов ударной вязкости подтвердили справедливость выбранных и приведенных ниже диапазонов; достигнут 20...30 % прирост долговечности образцов. Стендовые термоциклические испытания определили верхний предел температуры (930°С), при которой обеспечивается надежное функционирование деталей.

Результаты комплекса экспериментальных исследований позволили определить следующие рациональные диапазоны режимов электрохимического формообразования:

1. Электрохимическое формообразование неподвижным катодом-инструментом:

- плотность тока - 30...40 А/см2;

- величина межэлектродного зазора - 0,7...0,8

мм;

- величина давления электролита - 16...18 МПа;

- продолжительность обработки - 90. 170 с;

2. Электрохимическое протягивание:

- плотность тока - 30...40 А/см2;

- величина межэлектродного зазора - 0,3-0,4

мм;

- величина давления электролита - 16...18 МПа;

- скорость перемещения катода-инструмента -165...195 мм/мин;

- - продолжительность обработки - 1200... 1300

с.

3. Электрохимическое импульсно-циклическое формообразование:

- плотность тока - 30...35 А/см2;

- величина межэлектродного зазора - 0,2...0,22

мм;

- величина давления электролита - 8...10 МПа;

- продолжительность обработки - 600...900 с;

- скорость перемещения - 0,15...0,2 мм/мин;

- длительность импульса - 5...6 мс. Предложенные режимные параметры обработки электрохимического формообразования позволяют создавать на деталях, работающих при циклических знакопеременных нагружениях, поверхностные слои с высокими эксплуатационными характеристиками [3, 4].

Литература

1. Теория электрических и физико-химических методов обработки. Обработка материалов с применением инструмента / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.В. Смо-ленцев и др. Воронеж: ВГТУ, 2008. Ч. 1. 248 с.

2. Смоленцев В.П. Технология электроэрозионной и электрохимической обработки / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Г.П. Смоленцев. Воронеж: ВГТУ, 2005. 180 с.

3. Смоленцев В.П. Технологические методы обеспечения качества изделий авиационно-космической техники [Текст] / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, В.Н. Старов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 2. - С. 144-148.

4. Болдырев А.И. Электрохимикомеханическая обработка. Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2012, 243 с.

Воронежский государственный технический университет

ООО «Технологические системы защитных покрытий», Московская обл., г. Щербинка

EXPERIMENTAL RESEARCH OF TECHNOLOGICAL FACILITIES IN ELECTROCHEMICAL SHAPING

A.I. Boldyrev, S.V. Usov, A.A. Boldyrev, A.V. Mandrykin

The article deals with electrochemical shaping. The authors examine different machining patterns: with the help of immovable cathode tool, drawing, in impulse cyclic mode. The experimental evaluation of technological facilities varieties in method of electrochemical shaping is performed. On the basis of applied complex research results rational ranges of electrochemical shaping are determined

Key words: electrochemical shaping, achievable indicators, rational modes