CC BY
12УДК 621.9.047
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА БЕЗВОЛЬФРАМОВЫХ
ТВЕРДЫХ СПЛАВВВ1
Х.М. РАХИМЯНОВ, доктор техн. наук, профессор, Б.А. КРАСИЛЬНИКОВ, канд. техн. наук, доцент, В.В. ЯНПОЛЬСКИЙ, канд. техн. наук, Д.Б. КРАСИЛЬНИКОВ, инженер (НГТУ, г Новосибирск)
Статья поступила 23 августа 2010 г.
Рахимянов Х.М. - 630092, Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет,
пр. К. Маркса, 20, e-mail: tms-ngtu@mail.ru
Представлена математическая модель процесса электрохимического формообразования сферических поверхностей, позволяющая прогнозировать точность обработки в зависимости от величины угла наклона поверхности инструмента (0) к направлению подачи (SK). Произведена экспериментальная проверка математической модели. Установлены области значений режимных параметров электрохимического формообразования сферических поверхностей малого диаметра в деталях, выполненных из сплава КНТ- 6, обеспечивающих достижение высокой производительности процесса обработки, необходимой точности формообразования и требуемого качества поверхности.
Ключевые слова: безвольфрамовые твердые сплавы, электрохимическая обработка, пассивация поверхности, межэлектродный зазор.
A mathematical model of the electrochemical formation of spherical surfaces, which allows to predict the accuracy of processing, depending on the angle of inclination of the surface of the tool (0) to the direction of feed (SK). The experimental verification of the mathematical model. The regions of values of operational parameters of electrochemical formation of spherical surfaces of small diameter in the details, made of alloy CNT-16 that achieve high performance processing, the accuracy of formation and the desired surface quality.
Key words: tungsten-free hard alloys, electrochemical treatment, passivation of the surface gap.
Область применения безвольфрамовых твердых сплавов постоянно расширяется благодаря их уникальным физико-механическим свойствам. Одним из представителей этого класса материалов является безвольфрамовый сплав КНТ-16. Низкие фрикционные свойства сплава КНТ - 16 позволяют использовать его в узлах трения [1]. Однако сплавы данной марки имеют низкий модуль упругости и высокий коэффициент термического расширения (по сравнению с твердыми сплавами групп ВК и ТК), что делает их наиболее чувствительными к тепловым нагрузкам. Поэтому применение традиционных методов обработки, таких как абразивное и алмазное шлифование, не обеспечивает требуемого качества поверхностного слоя деталей. Особенно это ярко выражается при обработке поверхностей сложного профиля, в частности, сферических (рис. 1).
В настоящее время вогнутые сферические поверхности малого диаметра в деталях, выполненных из сплава КНТ-16, получают механически с использованием алмазного порошка и индентора, после чего производят полировку поверхности с це-
Я 1.05+°'07
11а 0,25
¡¡Ж тж in О f rn <N ,
0 6,25од
Рис. 1. Эскиз подпятника, выполненного из сплава КНТ-16
1 Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной
России на 2009-2013 годы», мероприятие 1.3.1. (проект П2571)
лью получения требуемого качества поверхностного слоя. В качестве индентора обычно выступает шарик подшипника качения, соответствующий диаметру получаемой сферы. Значительным недостатком данного метода формообразования сферических поверхностей является низкая производительность. Время на обработку сферы в подпятнике, выполненном из сплава КНТ-16 (рис. 1), диаметром 2,1 мм и глубиной 1,05 мм составляет порядка 30 мин, что значительно повышает себестоимость изделия, изготовленного из сплава КНТ-16.
Одним из возможных способов формообразования поверхностей сложного профиля является электрохимическая размерная обработка (рис. 2, а). Применение электрохимической размерной обработки позволяет производить формообразование поверхностей сложного профиля с высокой производительностью [2]. Однако недостатком этого метода формообразования является невысокая точность процесса, которая зависит от таких факторов, как состав электролита, режимы формообразования, форма катода-инструмента и величина межэлектродного зазора. Следует отметить, что при электрохимическом методе формообразования сферических поверхностей профиль получаемой поверхности отличается от профиля катода-инструмента (рис. 2, б).
Основной причиной изменения профиля получаемой сферической поверхности при электрохимической размерной обработке является изменение межэлектродного зазора с увеличением угла наклона поверхности инструмента 0 к направлению подачи 5К.
В работах [3, 4] представлено математическое моделирование процесса электрохимического формообразования сферических поверхностей. Полученные математические зависимости позволяют производить расчет величины межэлектродного зазора в зависимости от значения угла 0 и прогнозировать точность обрабатываемых поверхностей.
В работе [3] расчет величины межэлектродного зазора 8 в зависимости от угла наклона 0 поверхно-
Электролит
сти инструмента к направлению подачи 5К осуществлялся по следующей формуле:
5 = 1/
j + 0,5е
v + 1
(1)
где j - плотность тока в безразмерном виде; 8 - межэлектродный зазор; s - малый параметр, равный отношению величины начального межэлектродного зазора к радиусу кривизны поверхности; V - безразмерный параметр; R0 - радиус кривизны катода-инструмента.
Величину плотности тока в безразмерном виде можно определить по следующей формуле [3]:
j = 0,5cos 0 + (cos2 0 + 4е sin2 0 / р cos ©j ,
где 0 - угол наклона поверхности инструмента к направлению подачи SK.
Уравнение (1) позволяет определить величину МЭЗ 8 в первом приближении в диапазоне изменения углов 0 < 0 < 90°. Однако следует отметить, что представленное выражение имеет безразмерный вид, и поэтому в таком виде использоваться для решения частных задач не может. Для решения задач электрохимического формообразования, имеющих прикладной характер, необходимо осуществить переход из безразмерных величин приращения зазора 8 в размерный h. Авторами работы [3] предложено осуществить переход к размерным величинам при помощи формулы, связывающей радиус кривизны катода и малый параметр s. Формула для перевода имеет следующий вид:
h = eR05.
(2)
Необходимо отметить, что для решения частной задачи электрохимического формообразования сферической поверхности по представленным формулам следует задать такие параметры, как радиус кривизны катода-инструмента (Я0 = 1,05 мм), величину
а б
Рис. 2. Схема электрохимического формообразования сферической поверхности (а) и изменения межэлектродного зазора 8 в процессе обработки (б): 5К - движение катода-инструмента; 8 - межэлектродный зазор
начального межэлектродного зазора (к0 = 0,02 мм) и безразмерный параметр V. По данным работы [3] для сферической поверхности безразмерный параметр V равняется единице. С учетом введенных частных параметров были произведены расчеты изменения величины межэлектродного зазора к при электрохимической обработке сферической поверхности подпятника по формулам (1) и (2). По результатам были построены графики изменения границы анода от границы катода-инструмента, представляющего собой сферическую поверхность (рис. 3).
Расчет величины межэлектродного зазора по формулам (1) и (2) позволил определить максимальное отклонение величины МЭЗ, достигаемое 43 мкм при значении угла 0 = 80°. Вместе с тем расчет по формулам осуществлялся для условий стационарного процесса электрохимического формообразования, т. е. в условиях постоянной поляризации анода. Однако на практике в процессе электрохимического растворения зачастую происходит пассивация поверхности анода, что приводит к снижению скорости электрохимического растворения материала. Повышение скорости электрохимического растворения возможно за счет депассивации поверхности анода, т.е. удаления пассивирующей пленки. Одним из наиболее эффективных способов депассивации поверхности анода является механическое удаление пленки при помощи абразивных зерен, реализуемое в условиях электроалмазной обработки [5]. В связи с этим были проведены экспериментальные исследования процесса электроалмазного формообразования сферической поверхности в деталях, выполненных из сплава КНТ-16, направленные на определение влияния основных режимов обработки на такие технологические показатели процесса, как производительность, точность и качество. Формообразование поверхности сферы осуществлялось методом копиро-
Рис. 3. Характер изменения анодной границы в зависимости от величины угла 0: 1 - граница катода-инструмента; 2 - граница анода
вания (рис. 4, а). В качестве инструмента был применен алмазный медицинский бор на металлической связке, имеющий сферическую рабочую часть с алмазным порошком зернистости 50/40 мкм, нанесенным гальваническим способом на поверхность (рис. 4, б). Основными параметрами, влияющими на производительность и точность электрохимической обработки методом копирования, являются напряжение технологического тока, скорость движения подачи инструмента и состав электролита.
При обработке сферической поверхности на экспериментальной установке для электрохимического формообразования [6] частота вращения инструмента составляла 8000 об/мин. Напряжение технологического тока в экспериментальных исследованиях равнялось 8 В. Скорость подачи катода варьировалась в диапазоне значений от 0,4 до 0,85 мм/мин. В качестве электролита использовался 10 %-й раствор нейтральной соли №К03 в воде. Выбор состава электролита был осуществлен на основе проведения потециоста-тических и потенциодинамических исследований
а б
Рис. 4. Схема электрохимического формообразования сферической поверхности (а) и внешний вид инструмента для формообразования (б)
а б
Рис. 5. Образование площадки износа поверхности инструмента (а) и дефекта обработанной поверхности (б);
и = 6 В; 5 = 0,85 мм/мин
сплава КНТ-16, позволяющих установить влияние анионного состава на величину скорости электрохимического растворения. Результаты экспериментальных исследований электрохимичекого растворения сплава КНТ-16 в различных составах электролитов представлены в работе [7].
В результате обработки сферической поверхности в деталях, выполненных из сплава КНТ-16, установлено, что при подаче катода со скоростью 0,85 мм/мин происходит контакт связки инструмента с обрабатываемой деталью, что приводит к появлению дефектов как формы обработанной поверхности (рис. 5, а), так и к изменению формы катода-инструмента (рис. 5, б).
Наилучшие результаты с точки зрения достижения требуемой точности формы сферической поверхности были получены при скоростях подач равных 0,4 и 0,6 мм/мин. Однако производительность процесса формообразования при подаче 0,4 мм/мин имеет минимальное значение. Скорость движения подачи инструмента, равная 0,6 мм/мин, обеспечивала электрохимическое растворение поверхности, а алмазные зерна служили лишь для удаления окисной
пленки, что позволило достичь приемлемой производительности и требуемой точности. Внешний вид обработанной сферической поверхности представлен на рис. 6, а.
В результате обработки партии деталей из сплава КНТ-16 при помощи комбинированного метода, совмещающего электрохимическое растворение и механическое удаление окисных пленок алмазными зернами, и последующего измерения точности полученных сферических поверхностей установлено, что происходит изменение формы анодной границы при увеличении угла 0. Максимальное значение отклонения наблюдается при 0 = 80° и составляет 65 мкм. При сравнении формы анодной границы, полученной в результатов расчета по формулам (1) и (2) (рис. 6, б, кривая 2), с формой сферической поверхности, обработанной при помощи электроалмазного формообразования (рис. 6, б, кривая 3), видно, что при углах 0 до 50...60° расчетные данные практически совпадают с экспериментальными. При увеличении угла 0 до значения 80° наблюдается небольшое отклонение формы сферической поверхности от расчетного значения. Однако полученные значения радиуса
а б
Рис. 6. Внешний вид обработанной сферы в сплаве КНТ-16 (а) и характер формы обработанной сферической поверхности (б): 1 - граница катода-инструмента; 2 - расчетная граница сферы; 3 - граница сферической поверхности, полученная в результате электрохимической обработки и = 8 В, 5 = 0,6 мм/мин
сферы находятся в пределах допуска, заданного чертежом детали.
Вместе с тем из рис. 6 видно, что при значениях угла 0, превышающих значение 80°, наблюдается скругление кромки. Вероятно, это связано с особенностью электрохимического растворения сплава КНТ-16 в выбранном растворе электролита. Однако устранение скругления кромки может быть осуществлено при выполнении последующей операции шлифования торцов подпятника.
Таким образом, в результате проведенных исследований было установлено, что максимальное отклонение межэлектродного зазора составляет 43 мкм при 0 = 80°. На основе экспериментальных исследований определены режимы электроалмазной обработки сферической поверхности в сплаве КНТ-16, а именно напряжение технологического тока U = 8 В и подача инструмента S = 0,6 мм/мин, обеспечивающие максимальную производительность процесса обработки, качество обработанной поверхности и точность формы получаемой сферы. Время на обработку одной сферы в сплаве КНТ-16 в условиях электрохимического формообразования составило 1,76 мин.
Список литературы
1. Ковалев М.П. Опоры приборов / М.П. Ковалев, И.М. Сивоконенко, К.Н. Явленский / М.: Машиностроение, 1967. - 192 с.
2. Седыкин Ф.В. Размерная электрохимическая обработка деталей машин. - М.: Машиностроение, - 1976. -346 с.
3. Каримов А.Х. Методы расчета электрохимического формообразования / А.Х. Каримов, В.В. Клоков, Е.И. Филатов. - Казань: Изд-во Казанского университета, 1990. - 386 с.
4. Клоков В.В. Электрохимическое формообразование. - Казань, Изд-во Казанского университета, 1984. -79 с.
5. Мороз И.И. Основы повышения точности электрохимического формообразования. - Кишинев: Штиинца, 1977. - 152 с.
6. Красильников Б.А. Обработка сферических поверхностей малого диаметра / Б.А. Красильников, В.В. Ян-польский, Д.Б. Красильников // Сб. трудов Всероссийской науч.-практ. конф. «Современные проблемы в технологии машиностроения», 16 - 17 октября, 2009 г. - Новосибирск, 2009. - С. 94 - 97.
7. Красильников Б. А. Обработка сферических опор подшипников из БВТС / Б. А. Красильников, Д. Б. Красильников // Механику XXI веку. VII Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием: сборник докладов. - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2008. - 194-196 с.
