CC BY
40
ШШБМЛ
УДК 67.05
Электрохимическая обработка габаритных тел вращения
Е. А. заставный, В. х. Постаногов
Ключевые слова: короткое замыкание при электрохимической обработке, несущая балка станка, электролит, электрохимическая обработка.
Значительный объем механообработки при изготовлении и реновации крупногабаритных тел вращения типа валов мощных энергоагрегатов, прокатных и дробильных валков и особенно колесных пар железнодорожного подвижного состава заставляет специалистов, работающих на производстве, искать новые пути решения проблемы снижения трудоемкости, повышения точности и минимизации инструментального обеспечения технологических процессов. Именно поэтому является целесообразным поиск новых принципов формообразования таких деталей, исключающих механический контакт инструмента и детали, который имеет место при использовании традиционных методов формообразования точением и шлифованием. Цель настоящей работы заключается в исследовании способа электрохимической обработки (ЭХО), которая имеет большое значение для изготовления и особенно плановой реновации колесного парка подвижного состава рельсового транспорта, главным образом для современного железнодорожного транспорта — скоростных поездов.
В связи с появлением скоростных поездов на железных дорогах многих стран становится актуальной задача достижения требуемой точности и минимизации погрешности формы («некруглости») поверхности катания колеса колесной пары подвижного состава. Внедрение новых принципов и станков для обработки и особенно реновации колесных пар в процессе эксплуатации позволит создать принципиально новый подход к организации ремонтной базы железнодорожных депо, в том числе и тех, что предназначены для скоростных поездов. Предлагаемый технологический процесс дает возможность разработать экологически чистую технологию реновации колесных пар, обеспечивающую и другие преимущества:
• снижение металлоемкости оборудования в 3-5 раз;
• практическое решение проблемы применения дорогостоящего режущего инструмента;
• обработка колеса с любой структурой материала без силового контакта между инструментом и деталью.
ЭХО позволяет решить проблему снижения себестоимости плановых реноваций колесных пар благодаря реализации принципиально новых технологий и использованию оборудования для электрохимического формообразования поверхности катания колесных пар или их восстановления [1]. Формирование профиля бандажа колеса происходит путем непосредственного копирования профиля электрода-инструмента. Проводится обработка в электролите (на основе водных растворов нейтральных солей №С1 или №N03), подаваемом непосредственно в рабочую зону. Снятый металл осаждается в виде гидроокиси Fe(0H)з.
При ЭХО отсутствует непосредственный силовой контакт между электродами (инструментом и обрабатываемой заготовкой), не подвергается износу сам электрод-инструмент. Производительность не зависит от площади обработки. Перечисленные достоинства наглядно характеризуют рассматриваемую технологическую схему. Оборудование для ЭХО позволяет повторить практически любую кинематическую схему, применяемую в традиционной механообработке.
Однако при обработке больших площадей существует вероятность возникновения больших гидростатических сил между инструментом и деталью. Во время работы станка его основные несущие элементы находятся под действием сложной системы переменных сил.
При подаче рабочего напряжения на электроды электрохимической ячейки происходит нагрев электролита, в результате чего последний вскипает и образует парогазовую смесь. Как показали расчеты, в процессе обработки железнодорожного колеса температура газожидкостной смеси в межэлектродных зазорах может достигать примерно 160-180 °С.
Таким образом, появление межэлектродного зазора в технологической системе приводит к погрешности обработки за счет температурного фактора, а именно к появлению дополнительных упругих деформаций станка, величина которых определяется расчетом. Кроме того, нагрев или перегрев электролита
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
50
40 2 30 А/<У
Рис. 1. Зависимость упругой деформации от плотности технологического тока и жесткости технологической системы
под действием больших плотностей технологического тока, сопровождается парообразованием и приводит к скачкообразному повышению давления в межэлектродном зазоре. В зависимости от режимов обработки смещение электродов достигает значительных величин. Следовательно, конструкции электрохимических станков должны иметь достаточно жесткую технологическую систему, для того чтобы сохранять необходимую точность обработки и обеспечивать требуемую чистоту обрабатываемой поверхности [3].
В зависимости от конструкции можно определить суммарный изгиб несущей балки станка для конкретных режимов обработки, например, по номограмме (рис. 1), где упругие деформации, а следовательно, и реальная величина межэлектродного зазора зависят главным образом от плотности тока и жесткости технологической системы конкретного станка (длины балки).
Во избежание случайного короткого замыкания электродов и механических повреждений детали и станка при обработке в среде проточного электролита выбирают несколько меньшую скорость подачи катода, чем скорость растворения металла, что, соответственно, снижает производительность и точность процесса, чистоту обработки поверхности. Полностью устранить прожоги, уменьшить зазоры между электродами до величины 0,01 мм, обеспечить надлежащий обмен электролита в таких зазорах позволяет циклическая электрохимическая размерная обработка, однако ее можно применить только по отношению к деталям определенной конфигурации и незначительной массы. Использование циклической и импульсно-циклической схем ЭХО значительно повышает точность обработки, при обработке крупногабаритных деталей применение этих методов технически невозможно.
100 мс
* X
Рис. 2. Эффективность работы циклической схемы ЭХО
Поскольку при высоких плотностях тока (малых межэлектродных зазорах) электролит выкипает при подаче первых импульсов тока, это не позволяет использовать в рабочем режиме весь участок циклограммы. Как показано на рис. 2, процесс осуществляется в определенный момент цикла (участок АВ), а затем электролит выкипает и процесс растворения металла прекращается. Для рационального использования схемы необходимо синхронизировать частоту вибрации электрода-инструмента.
Таким образом, производительность процесса зависит от возможности технологической системы в целом обеспечить высокочастотную вибрацию тяжелой инструментальной оснастки примерно так, как это показано на рис. 3. Поскольку вес самой колесной пары и технологической оснастки составляет тысячи килограмм, технически невозможно обеспечить высокочастотную вибрацию технологической системы.
Можно провести упрощенные расчеты напряжения и деформации станины по формулам сопротивления материалов для балок постоянного по длине сечения, без учета перегородок и ребер жесткости, переменной толщины стенок, окон, проемов и др. Вычисленные таким образом значения будут далеки от действительных. Однако можно добиться большей точности, если при расчетах заменить станину фермой упрощенной формы. Тем не менее в обоих случаях результаты поверочных расчетов вполне могут быть использованы для сравнительной оценки разработанных вариантов конструкции станины. Их допустимо использовать и для оценки порядка величины напряжений и деформаций, а следовательно,
■66
№ 2 (56)/2010
а
-»-
Частота вибрации электрода, Гц
Рис. 3. Зависимость необходимой мощности привода станка от его быстродействия
для прогноза относительно качества обработанной поверхности, прочности и жесткости станины.
Таким образом, использование постоянного тока обеспечивает максимальную производительность обработки, тогда как применение импульсного источника тока несколько снижает данный показатель, значительно упрощает управление технологическим процессом, не допуская аварийных режимов обработки в виде коротких замыканий. В зависимости от требований к колесной паре выбирается соответствующая технологическая схема обработки. Производительность обработки зависит только от физико-химических свойств обрабатываемого материала и электрической мощности источника тока. При этом скорость рабочей подачи электрода-инструмента варьирует от 1 до 5 мм/мин независимо от площади обработки. Другими словами, время обработки зависит от мощности источника технологического тока, конструкции электрода-инструмента, кинематики оборудования и выбранной технологической схемы обработки.
На точность обработки влияет ряд факторов, в том числе параметры источников технологического тока. Применение в источниках технологического тока импульсов с крутым передним фронтом позволяет повысить точность обработки до 50-60 %. Дополнительное формирование крутого заднего фронта импульса тока дает возможность увеличить данный показатель еще на 10-15 %.
Поскольку в процессе эксплуатации каждая колесная пара неоднократно перетачивается,
Рис. 4. Точностные характеристики различных способов обработки тел вращения: И — механообработка; К — точность размеров при ЭХО; Ш — повторяемость размеров при ЭХО
ее размеры заметно уменьшаются. Вместе с тем специфика железнодорожного транспорта предъявляет специальные требования к идентичности колес в каждой колесной паре, а следовательно, необходима стабильность в повторении размеров колес в конкретной паре. Точностные характеристики ЭХО с применением различных источников технологического тока приведены на рис. 4 [2]. Проведен сравнительный анализ результатов ЭХО при использовании разных источников тока: выпрямителя с синусоидальными формами импульса (режим I), импульсов с передним крутым фронтом (режим II) и импульсы с крутыми передним и задним фронтами (режим III). Судя по рис. 4, ЭХО позволяет обеспечить достаточную повторяемость размеров колес конкретной колесной пары, существенно улучшая этот параметр по сравнению с тем, которого удается добиться при традиционной механообработке.
Таким образом, ЭХО позволяет получить стабильную повторяемость размеров и формы обрабатываемой поверхности катания железнодорожного колеса с погрешностью 0,06-0,10 мм в зависимости от конфигурации колеса, это приемлемо даже для колесных пар скоростных поездов. Поверхностный слой обработанного колеса не претерпевает никаких физико-химических изменений. Увеличение количества обрабатываемых колес не требует ни коррекции технологического процесса, ни изменения положения электрода-инструмента из-за отсутствия его износа, а следовательно, никак не влияет на точность обработки.
Для описания влияния режимов ЭХО на эксплуатационные свойства колесных пар проводился металлографический анализ величин
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Рис. 5. Кинематическая схема станка
и характера распределения остаточных напряжений в поверхностном слое обработанного образца. Исследовались образцы из стали 50Л после ЭХО в соответствии с двумя режимами с разной плотностью технологического тока 20-25 и 50-60 А/см2 (режимы I и II соответственно). В обоих случаях использовали один и тот же электролит — 15%-й №С1. Перед ЭХО исследуемые образцы подверглись термической обработке (закалке и отпуску).
После ЭХО в поверхностном слое образцов определялись остаточные технологические напряжения первого рода, которые в основном являются причинами коробления, разрушения и изменения эксплуатационных свойств изделий. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое трех образцов стали марки 50Л ЭХО по режиму I показало, что остаточные напряжения практически отсутствуют, так как их величина (1,3 кг/мм2) находится в пределах ошибки, допустимой согласно данной методике. В поверхностном слое одного из двух исследованных образцов стали 50Л, обработанных по режиму II, обнаружены небольшие сжимающие напряжения (не более 4,0 кг/мм2), а у других образцов величина данного параметра находится в пределах ошибки, предусмотренной в методике измерения.
Анализ полученных результатов показал, что у образцов стали марки 50Л в исходном после термообработки состоянии были обнаружены сжимающие напряжения. Следовательно, электрохимической обработке подвергались образцы, уже имевшие в поверхностном слое остаточные напряжения определенной величины и распределения. Поэтому значения остаточных напряжений и характер их распределения, зафиксированные для образцов из стали 50Л после ЭХО, могли являться результатом перераспределения остаточных напряжений при снятии напряженного слоя, который имели образцы после термической обработки.
Наличие коррозии в поверхностном слое после ЭХО определялось на шлифах, перпендикулярных к поверхности, подвергшейся ЭХО. На образцах, обработанных в соответствии с режимами I и II, наблюдается местная коррозия в виде отдельных кратеров небольшой глубины (10 мкм), это приемлемо для безопасной эксплуатации железнодорожного подвижного состава.
Для ЭХО можно выбрать станок с любой кинематической схемой из тех, что традиционно применяются для механообработки. Достаточно лишь подвести клеммы от источника
технологического тока к обрабатываемой колесной паре и к электроду-инструменту. Одна из приемлемых кинематических схем станка приведена на рис. 5.
На сварной станине 10 монтируются стойки 6, в которых установлены направляющие центра 3. Колесная пара 2, направляемая центрами 3, устанавливается в ванну 8, на силовые ролики-токо-подводы 9. В соответствии с программой инструментальная каретка 1 перемещает электрод-инструмент 4 через привод 5 по траектории обработки поверхности катания колеса. Подъем ванны осуществляется отдельным силовым приводом 7.
Поскольку при ЭХО нет непосредственного контакта между электродом-инструментом и обрабатываемым изделием, силы резания значительно снижаются, и отпадает необходимость в громоздких металлоемких станинах и приводах большой мощности по сравнению с колесотокарным станком аналогичного назначения. Разработанный станок имеет общий вес 7-8 т, тогда как аналогичные ко-лесотокарные станки серии КЖ (КЖ9920Ф1, КЖ9920Ф3) весят 12-15 т, станки UBF112N, UDA125N и др. фа£ате^ Польша) — 25-50 т.
Станки, работающие по схеме ЭХО, не требуют монтажа фундамента и устанавливаются на виброопорах, выпускаемых серийно и применяемых для монтажа среднеразмерных станков токарной, фрезерных групп, традиционных схем металлообработки.
Проведенная экспериментальная обработка колесной пары и ее ходовые испытания в условиях моторвагонного железнодорожного депо дали положительные результаты: подтверждена повышенная долговечность колесной пары, обработанной предлагаемым способом.
Литература
1. Пат. 2103112 Российская Федерация. RU 2301 134 С2. Способ электрохимической обработки / Е. А. Заставный, Г. А. Толмачев; заявитель и патентообладатель Заставный Евгений Александрович. № 2005126631/02; заявл. 24.08.2005, опубл. 20.06.2007. Бюл. № 17.
2. Справочник технолога-машиностроителя: В 2 т. / Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова и др. М.: Машиностроение, 2003. Т. 1. 548 с.; т. 2. 539 с.
