CC BY
29
УДК 621.9
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
В.В. Эдигаров, Е.В. Литау Омский автобронетанковый инженерный институт
Россия, 644098, г. Омск, 14 в/городок; [email protected]
На основе анализа теплообразования в поверхностном слое при электромеханической обработке определена зависимость влияния электрофизических параметров электромеханической обработки на качество обработанной поверхности.
Ключевые слова: электромеханическая обработка, поверхность, теплообразование, пластическое и упругое деформирование
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
В.В. Эдигаров, Е.В. Литау Омский автобронетанковый инженерный институт
Based on the analysis of heat in the surface layer with electron-tromehanicheskoy processing determined dependence of the effect of process parameters on the electromechanical machining surface quality
Keywords: electromechanical machining, surface, heat generation, plastic and elastic deformi-rovanie, triboparah.
Надежность и ресурс машин и технологического оборудования в значительной степени зависят от работоспособности и срока службы узлов трения. Надежность узлов трения (три-босопряжений) определяется, главным образом, их износостойкостью, зависящей от эксплуатационных свойств материалов, из которых они изготовлены, и качества сопряженных поверхностей. Наиболее перспективно решение задачи повышения надежности и ресурса машин за счет привлечения технологических методов, создания благоприятной технологической наследственности, обеспечения параметров качества поверхностного слоя на уровне, соответствующем максимальному повышению требуемой совокупности эксплуатационных свойств. Актуальной является разработка любых новых методов обработки, направленных на повышение качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств.
В последние годы предложено большое количество различных методов повышения изно-
состойкости деталей узлов трения. Большинство из них являются, по сути, методами поверхностного упрочнения путем модифицирования структуры поверхностного слоя материала. Одним из перспективных методов повышения износостойкости узлов трения машин является метод электромеханической обработки (ЭМО). Несмотря на достаточно длительный срок ее применения, основы способа заложены еще в работах Б.М. Аскинази, этот способ обработки имеет большие перспективы применения [1-6]. ЭМО является особым способом контактной обработки поверхностей высококонцентрированным источником электрической энергии, объединяющим в единой технологической схеме силовое и термическое воздействие инструмента на деталь, что позволяет формировать уникальные свойства поверхностного слоя деталей. Основными особенностями различных видов ЭМО являются: наличие нескольких источников теплоты, основные из которых электрический ток и трение, локальный нагрев зоны
обработки, сопровождающийся действием значительных давлений, кратковременный термический цикл обработки, достаточно высокая скорость охлаждения, а также влияние других технологических факторов.
Рис. 1. Характер теплообразования в поверхности детали при ЭМО
Тепловые явления, происходящие при ЭМО, связаны с выделением теплоты вследствие прохождения электрического тока (до
98 %), трения инструмента об обрабатываемую поверхность и деформированием металла в поверхностном слое, а также с теплообменом между инструментом и поверхностным слоем и теплопередачей в окружающую среду и вовнутрь металла, то есть происходит нагрев детали (Оцет), инструмента Юинстр.) и конвективный теплообмен с окружающей средой (QK0HB.).
Необходимо отметить, что в поверхностном слое обрабатываемой детали температура плавно увеличивается по мере углубления в материал, достигнув своего максимума в зоне А (рис. 1). В этой области температура максимальна и может значительно превышать Ас3. При дальнейшем углублении в материал детали наблюдается плавное падение температуры, причем чем глубже в обрабатываемый материал, тем более значительно это падение с выходом на температуру основной массы материала детали, зоны В, С, D (рис.1). В горизонтальной плоскости обрабатываемая поверхность под рабочим инструментом будет иметь наибольшее снижение температуры материала вследствие теплоотвода у точек a и b и минимальное - в точке e (см. рис.1).
Рис. 2. Процесс электромеханической обработки: 1 - рабочий инструмент; 2 - обрабатываемая деталь
В процессе электромеханической обработки теплота в зоне контакта выделяется от проходящего тока (00, деформации микронеровностей обрабатываемой детали (03) и трения инструмента по детали (02). Таким образом, общее количество выделенной теплоты:
О = + 02 + 03. (1)
В большинстве работ источники тепловыделения при расчетах считают плоскими, однако с точки зрения теплофизического анализа
при схематизации процесса необходимо источники тепловыделения считать трехмерными. При этом длину дуги, соответствующую длине области деформации обрабатываемой поверхности рабочим инструментом, в основной плоскости можно разбить на два участка А1Е1 и Е1В, которые соответствуют площадкам контакта на передней и задней поверхностях лезвийного инструмента при механической обработке. Рабочая поверхность инструмента имеет форму
дуги окружности радиусом г. Участок А1Е1 прилегает к области, в которой осуществляется основная работа по поверхностному пластическому деформированию металла Ипл (рис. 2), этот участок аналогичен передней поверхности лезвийного инструмента. На втором участке Е^ происходит взаимодействие инструмента с упруго восстанавливающимся слоем материала заготовки Иупр (см. рис. 2).
Пластическое и упругое деформирование материала поверхностного слоя детали происходят в некотором объеме АА1Е1ВЕ. При производстве обработки заготовки со скоростью V пластическому деформированию в основном подвергается объем АА1Е1Е, прилежащий к передней поверхности инструмента. В этом же объеме возникают и упругие деформации. Объем материала, прилежащей к задней поверхности инструмента Е1В, в основном подвергается упругим деформациям, пластическое деформирование поверхностного слоя заготовки в этом объеме ничтожно мало. При этом на обоих участках дуги взаимодействия инструмента и обрабатываемой поверхности А1Е1 и Е1В присутствует трение между поверхностью рабочего инструмента и заготовкой, что приводит к образованию источника тепла 02.
Уравнение теплового баланса при ЭМО можно записать в следующем виде
Жос= Жас , (2)
где 0пос - суммарное поступление тепловой энергии в систему рабочий инструмент - деталь, Дж; 0рас - суммарный расход тепловой энергии в системе, Дж.
Или:
01 + 02 + Оэ = Одет+ Оинстр + Оконв. (2)
Ввиду значительной окружной скорости обработки V и малой длительности контакта инструмента с элементарным объемом обрабатываемой поверхности в единицу времени, измеряемой в тысячных долях секунды, при малом значении и приблизительно постоянном конвективном теплообмене, а также незначительном тепловыделении от трения и деформации, в сравнении с тепловыделением от прохождения электрического тока, представляется возможным пренебречь теплотой, выделяемой вследствие деформаций и трения в поверхностном слое, выравниванием температур, отдачей теплоты в окружающую среду.
Допустив, что вся тепловая энергия от прохождения электрического тока поглощается материалом обрабатываемой детали и сохраняется в нем вследствие деформации кристалли-
ческой решетки, тепловой баланс при контакте рабочего инструмента с обрабатываемой деталью можно записать в виде уравнения:
Ql = Qdem + Quncmp = ?' RXП■ t = AU ■ I ■ t, (3)
или
Ql - 0,24 nIt, (4)
где I - сила тока во вторичной цепи, А; RK - сопротивление контакта, Ом; n - коэффициент полезного действия рабочей цепи; AU - падение напряжения в участке цепи (в месте кон-такта),В; t - время, с.
Величина n может быть определена по формуле:
n= П1П2 Пз П4 П5 (5)
где n1, П П3, П4, Vs - коэффициенты, учитывающие потери электрического тока соответственно во вторичной цепи силового трансформатора источника тока, в силовых токоподво-дящих кабелях, в местах соединения силового кабеля и токоподводящих наконечников, в технологической оснастке, в инструментальной оснастке.
Электрическое сопротивление контакта RK может быть найдено по формуле
Rk - Cnlp
(6)
где р - давление рабочего инструмента на обрабатываемую поверхность, Н; Сп — контактное сопротивление; I - длина контакта инструмента с деталью, мм; к - показатель степени (для сталей к = 0,75).
Рис. 3. Структурная схема теплообмена между инструментом и обрабатываемой поверхностью при ЭМО: 1 - рабочий инструмент; 2 - обрабатываемая деталь
Теплота в зоне контакта, образовавшаяся от деформации микронеровностей обрабатываемой детали (О3) и трения инструмента по детали (О2), может быть найдена:
®2 + Яз) = р ■ Н -и /102, (7)
где Н - высота высокотемпературной зоны, поверхности детали; /с1с - коэффициент трения скольжения при установившемся процессе.
Количество теплоты в единицу времени (тепловой поток) д= ЯЛот электронагрева на поверхности детали ддет.и инструмента динстр (рис. 3) также зависит от тока и изменения Ди и может быть найден по формуле:
Я_эл.т. Ядет.+Яинстр. АП -1, (8)
Причем в зоне I (рис. 3) происходит выделение тепла от прохождения электрического тока. Значительное его количество в данном объеме выделяется от трения инструмента об обрабатываемую поверхность и деформации микронеровностей поверхности. В зоне II основным источником тепла является электрический ток.
Падение напряжения на поверхности обрабатываемой детали зависит прежде всего, от величины силы тока, проходящего через точку контакта рабочего инструмента и обрабатываемой поверхности, сопротивления детали в этой точке, характера распределения потенциала и расстояния до места контакта:
АП = I р/6,28 А, (9)
где р - удельное электрическое сопротивление материала, Ом ■ м; I - электрический ток, проходящий через точку контакта инструмента с деталью, А; А1 - расстояние до точки контакта, м.
В качестве рабочего инструмента при проведении операций электромеханической обработки применяются стандартные инструменты (ГОСТ 2209-69, форма 4003), а также специальные ролики, изготовленные из инструментальных и быстрорежущих сталей, металлокерамики, меди и ее сплавов (латунь и бронза), значительно отличающиеся по удельному электрическому сопротивлению, что сказывается на стойкости инструмента и характере упрочнения.
Зависимости распределения электрического потенциала по обрабатываемой поверхности детали и рабочего инструмента для различных материалов как обрабатываемой детали, так и рабочего инструмента, и силы тока показывают наличие прямой зависимости места нахождения
зоны максимальной температуры (зона А рис. 1) от сочетания электрофизических характеристик материалов детали и инструмента. Так, зона максимальной температуры может находиться в месте соприкосновения инструмента и обрабатываемой поверхности, а также смещаться внутрь детали или инструмента на определенную глубину. Причем центр тепловыделения смещается в сторону материала с наибольшим удельным сопротивлением.
Проведенные эксперименты подтверждают образование большей глубины термического влияния, образование упрочненного слоя большей величины при обработке инструментом из бронзы. То есть при ринстр. = рдет. зона А, зона максимальной температуры, будет находиться примерно в точке касания рабочего инструмента и обрабатываемой поверхности, в случае ринстр> рдет. зона максимальной температуры, будет смещаться в инструмент, тем самым снижая его стойкость и снижая эффективность обработки, случай с ршстр<рдет. позволит получить максимальное термомеханическое воздействие на обрабатываемую поверхность при максимальной стойкости инструмента.
Произведя математические преобразования, уравнение теплового баланса при электромеханической обработке примет вид
ЯэЛ.т. + (ЯтР.+Ядеф) = АП-14 + (Р-У+Рт-V) 4 = =(АП I-Ь)/У + (Р-+Р-/тР) -I, (10)
где Р - усилие прижатия инструмента, Н; Р2 -главная составляющая силы обработки (зависит от геометрии инструмента и детали), Н; V -скорость перемещения заготовки, м/с; :тр -коэффициент трения.
Из выражения видно, что общее количество теплоты, выделяющееся в определенный промежуток времени на поверхности обрабатываемой детали, зависит от пути Ь, пройденного источником тепловыделения за промежуток времени. При этом для составляющей от механического воздействия (Ятр. + Ядеф) количество выделившейся теплоты практически не зависит от скорости V обработки, а для составляющей от прохождения электрического тока - обратно пропорциональна V.
Тепловые потоки при электромеханической обработке:
Чэя.т. + (Чтр. +Чдеф) = АП 1+(Р+Р/тр) V. (11)
Из представленного выражения видно, что образующиеся от прохождения электрического тока тепловые потоки не зависят от скорости
электромеханической обработки, а тепловые потоки от механического воздействия зависят пропорционально.
Проведенный анализ процесса электромеханической обработки показал, что обработка с незначительными плотностями (менее 180 А/мм2) тока при высоких значениях рабочего давления в контакте инструмента с поверхностью обрабатываемой детали (300...600 МПа) приводит к горячему поверхностному пластическому деформированию поверхности при различных скоростях обработки (менее 2 м/с). Для выполнения поверхностной упрочняющей обработки можно рекомендовать использовать бронзовый инструмент (ролики), применять высокую плотность тока (700...1100 А/мм2) и сравнительно низкую скорость (менее 0,1 м/с) обработки, при этом величина усилия прижатия инструмента влияет лишь на качество контакта
инструмента с обрабатываемой поверхностью. Целенаправленное регулирование плотности тока в пределах 180...800 А/мм2, скорости обработки в пределах 0,05...2 м/с, давления инструмента на деталь до 600 МПа может обеспечить термомеханическую обработку металлов, как высокотемпературную с деформированием при температурах выше порога рекристаллизации, так и низкотемпературную с термодеформационными процессами происходящими при температурах ниже порога рекристаллизации. При этом к основным причинам повышения прочности обрабатываемого металла после обработки можно отнести измельчение структуры в результате дробления зерен аустенита и появление дополнительных полос скольжения, что способствует уменьшению количества мартен-ситных игл закаленной структуры и их размеров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой. -3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 200 с. Askinazi B.M. Uprochnenie i voss-tanovlenie detalei mashin elektromekhanicheskoi obrabotkoi. - 3-e izd., pererab. i dop. - M.: Mashi-nostroenie, 1989. - 200 s.
2. Багмутов В.П. Электромеханическая обработка: технологические и физические основы, свойства, реализация / В.П. Багмутов, С.Н. Паршев, Н.Г. Дудкина, И.Н. Захаров. - Новосибирск: Наука, 2003. - 318 с. Bagmutov V.P. Elektromechanicheskaya obrabotka: technologicheskie i fizicheskie osnovy, svoistva, realizatsiya / V.P. Bagmutov, S.N.Parshev, N.G. Dudkina, I.N. Zacharov. - Novosibirsk: Nauka, 2003. - 318 s.
3. Безопасность производственных процессов: справочник / С.В. Белов, В.Н. Бринза, Б.С. Векшин [и др.]; под общ. ред. С.В. Белова. - М: Машиностроение, 1985. - 448 с. Bezopasnost proizvodstvennych protsessov: spravochnik / S.V. Belov,V.N. Brinza, B.S. Vekshin i dr.; pod obsch. red. S.V. Belova. - M: Mashi-nostroenie, 1985. - 448 s.
4. Надольский В.О., Исследование электрических потенциалов в рабочем контуре при электромеханической обработке / О.В. Надольский, С.А. Яковлев // Сб. научных трудов УГСХА. - Ульяновск, ГСХА, 1997. - С. 108-113. Nadolski V.O., Issledova-
nie elektricheskikh potentsialov v rabochem konture pri elektromekhanicheskoi obrabotke / O.V. Nadolski, S.A. Yakovlev // Sb. Nauchnykh trudov UGCXA. -Ul'yanovsk, GCXA, 1997. - S.108-113.
5. Машков Ю.К., Байбарацкая М.Ю., Пальянов А.А. Повышение износостойкости стальных деталей методом трибоэлектрической обработки // Омский научный вестник. - 2002. - Вып. 18. - С. 101-103. Mashkov Yu.K., Baibaratskaya M.Yu., Pal'yanov A.A. Povyshenie iznosostoikosti stal'nykh detalei metodom triboelektricheskoi obrabotki // Omski nauchny vestnik. - 2002. - Vyp. 18. - S. 101-103.
6. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер В.С. Резание материалов: Термодинамический подход к системе взаимосвязей при резании. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 448 с. Vasin S.A., Vereschaka A.S., Kushner V.S. Rezanie materialov: Termodinamicheski podkhod k sisteme vzaimosvyazei pri rezanii. - M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2001. - 448 s.
7. Яковлев С.А., Каняев Н.П. Влияние электрофизических параметров электромеханической обработки на ее технологические особенности // Вестник УГСХА. - 2012. - № 3. - С. 130-134. Yakovlev S.A., Kanyaev N.P. Vliyanie elektrofizicheskich parametrov elektromekhanicheskoi obrabotki na eye technologicheskie osobennosti // Vestnik UGCXA. - 2012. - № 3. -S. 130-134.
Эдигаров Вячеслав Робертович - кандидат технических наук доцент, Статья поступила
начальник кафедры технологии металлов ОАБИИ в редакиию 12 сентабря
Литау Евгений Викторович - преподаватель кафедры технологии металлов 2014 г. ОАБИИ
© В.Р. Эдигаров, Е.В. Литау, 2014
