CC BY
15
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
□оцчлу_электрохимическая обработка
УДК 621.9.047
Электрохимическое гравирование аэродинамических занижений в оснастке с проточным каналом
Ю. А. Моргунов, Г. Б. Саушкин, Т. В. Вилигданов
Ключевые слова: аэродинамические занижения, микрообработка, электрохимическая обработка.
Введение
Для создания качественных уплотнений во вращающихся сборочных единицах современных двигателей используют аэродинамические занижения. Их выполняют на торцах деталей, неподвижно закрепленных на валу и обеспечивающих заданное положение графитовых уплотнительных колец [1]. Занижения представляют собой площадки, равномерно расположенные по окружности торца гайки и заглубленные относительно этого торца на 15,0-20,0 мкм с допуском 4,5 мкм [6]. К ним предъявляют следующие требования:
• шероховатость Яа — 0,4 мкм;
• отклонение от параллельности донышка занижения плоскости торца — не более 3 мкм;
• азотирование поверхности — до HRNl5;
• площадь одного занижения 40,0 мм2;
• количество занижений — 36 шт.
Анализ технологических методов, пригодных для изготовления занижений, показал перспективность применения для решения данной технологической задачи операций электрохимической размерной обработки [2]. Их выполнение предполагает либо предварительное нанесение диэлектрической маски на специально подготовленную поверхность заготовки [3], либо применение специального инструмента, являющегося зеркальным отражением системы площадок-занижений и обеспечивающего формирование герметизированного проточного канала при сборке инструмента с заготовкой. Последняя схема впервые использована для получения занижений на Запорожском машиностроительном объединении моторостроения. Несмотря на получение удовлетворительного технологического результата, данный процесс практически не становился предметом специального изучения, отсутствуют рекомендации по выбору параметров режима.
В литературе описана схема обработки занижений в проточном канале и проведен ее
гидродинамический анализ [4]. Показано удовлетворительное совпадение экспериментально полученной и теоретически рассчитанной проливочной характеристик, определен диапазон изменения рабочих давлений на входе в межэлектродный зазор и расхода рабочей жидкости при различных значениях зазора.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
В данной работе представлены результаты исследования влияния параметров режима обработки на выходные технологические характеристики операции электрохимической размерной обработки. В процессе экспериментов проводили обработку кольцевого образца из стали 30Х2Н2ВФМА, подвергнутой азотированию в соответствии с техническими требованиями на изделие. Обрабатываемый торец образца предварительно шлифовали до тех пор, пока шероховатость Ra не составила 0,2 мкм. После получения площадки-занижения измеряли ее глубину в пяти точках на коорди-натно-измерительной машине или высотомере Micro-Hite 350 (Tesa), и параметр шероховатости поверхности определяли с помощью профилометра T1000 (Hommel). Для глубины занижения погрешность составляет ±1 мкм, для параметра шероховатости — не более 10 % номинальной величины. Чтобы оценить качество переходных участков (радиусов), изготавливали поперечные и продольные шлифы. Запись тока и напряжения осуществляли с помощью осциллографа TDS3014B (Tektronix).
Для экспериментов использовалась штатная технологическая оснастка к электрохимическому копировально-прошивочному станку ЭТМ-200К (Станкозавод, Владимир), источник питания, обеспечивающий подачу пачек импульсов заданной частоты и скважности с паузой между пачками. Отдельные эксперименты потребовали применения стабилизированного
источника питания модели GPR-3520HD (Good Will Instek). Для регулирования входного давления использовали гидравлическую схему с дросселем на входе, изменение величины межэлектродного зазора осуществляли с помощью мерных прокладок. Приведем диапазон регулирования параметров режима:
• межэлектродный зазор а — 0,3-0,6 мм;
• входное давление рвх — 0,1-1,0 МПа;
• плотность тока i — 10-180 А /см2;
• длительность импульса ти — 1-5 мс;
• длительность паузы между импульсами тп — 1-5 мс;
• длительность паузы между пачками импульсов тп.п — 50-100 мс.
В качестве выходных технологических характеристик оценивали показатели качества поверхностного слоя, производительность и точность выполнения элементов занижения. Рабочая жидкость — электролит 8 % NaNO3 + + 2 %NaCl c удельной электропроводностью 7,5 См/м. Одновременно обрабатывали и затем обмеряли два занижения.
На рис. 1 показана зависимость амплитудной силы тока 1а, протекающего через межэлектродный промежуток (МЭП), от величины рабочего зазора при импульсной обработке с параметрами: ти = 4 мс, тп = 2 мс, иа = 75 В, количество импульсов в пачке — 3 шт., тп.п — 84 мс. Эти параметры установлены в результате предварительных экспериментов и обеспечивают стабильность процесса обработки. Как следует из представленных данных, расчет удовлетворительно согласуется с экспериментом, а полученная экспериментальная зависимость аппроксимируется выражением
1а = (Ua - Лф)хА"°'7,
(1)
1а, А 140
120-
100-
80-
0,3
—I—
0,4
-1—
0,5
0,6
а, мм
где иа — амплитудное напряжение; Аф — сумма электродных потенциалов; х — удельная электропроводность электролита; й — площадь обрабатываемой поверхности; а — рабочий зазор. Заметное расхождение результатов расчета и эксперимента при больших зазорах, по-видимому, связано со снижением роли газовыделения в формировании значения фактической электропроводности, в то время как роль тепловыделения увеличивается из-за разогрева электродов.
Благодаря анализу влияния плотности тока на параметр шероховатости установлено следующее. Обработка в условиях постоянного тока в диапазоне плотностей 10-50 А/см2 приводит к формированию поверхности с относительно грубой микрогеометрией (Ка = = 1,0 -г 1,6 мкм). Обработанная поверхность покрыта темной пленкой. Математическая обработка результатов этого эксперимента показала, что в полулогарифмических координатах (рис. 2) зависимость параметра шероховатости от плотности тока достаточно хорошо описывается линейной функцией. Если предположить, что найденная зависимость справедлива на достаточно большом отрезке оси плотностей тока, то можно оценить минимальное значение плотности тока, при котором достигается требуемая шероховатость Яа = = 0,4 мкм. Поскольку найденную величину (90 А/см2) не удалось получить с использованием постоянного тока, применили импульсный источник питания. Оказалось, что при амплитудной плотности тока 90-100 А/см2 и достаточно большой средней скорости прокачки
В„, мкм ЫВ„
1,0-
0 4
Рис. 1. Влияние рабочего зазора на силу тока: 1 — эксперимент, 2 — расчет
0,1 -1-
Рис. 2. Влияние плотности тока на параметр шероховатости.
В нижнем правом углу показана экспериментальная точка с разбросом Да = 0,07 г 0,16 мкм
а)
В„, мкм
2,52,01,5 1,0
0
б)
i, А/см' 383736-35■
0 2
0,4
—\—
0 6
~~I—
0 8
1,0 р, МПа
0 2
0 4
0 6
0 8
а)
1,0 р, МПа
150-
100■
50
I, А
40 -20 0
I
20 40
'МН4И*-
б)
50
и, В
,1-1-
60 80
t, мс
50
1-1-1-1-
-8 -6 -4 -2 0
~I-1-1-1-
2 4 6 8
I, мс
I, А
Рис. 3. Влияние входного давления на шероховатость (а) и среднюю плотность тока (б) при обработке постоянным током (напряжение — 20 В, зазор — 0,33 мм, время обработки — 10 с): 1 — расчет; 2 — эксперимент
электролита (более 10 м/с) действительно достигается требуемая микрогеометрия поверхности образца, если рассматриваемая величина составляет 170 А/см2, полученные значения параметра Я& = 0,07 -г 0,16 мкм также удовлетворительно согласуются с полученной линейной зависимостью (см. рис. 2). Следует отметить, что при определенной плотности тока и выше поверхность образца после обработки характеризуется высокой отражательной способностью, пленка темного цвета не наблюдается.
Для работы в условиях постоянного тока получена зависимость параметра шероховатости от входного давления (рис. 3, а). Это может быть следствием условий обработки, а именно сильного влияния входного давления на распределение скалярных полей температуры и газосодержания в МЭП. Действительно, увеличение скорости потока электролита приводит к изменению средней плотности тока (рис. 3, б). Проведенные расчеты позволили установить, что такое изменение силы тока обусловлено снижением электрического сопротивления межэлектродного промежутка в результате действия конвективного фактора.
При обработке с применением импульсного тока влияние гидродинамики на параметр
и, В
t, мс
Рис. 4. Осциллограммы тока I (а, в) и напряжения и (б, г), полученные при величине зазора 0,33 мм и входном давлении 1,0 МПа (а, б) и 0,2 МПа (в, г)
шероховатости практически не сказывается в указанном диапазоне изменения входного давления. Вместе с тем при малых значениях входного давления начинают проявляться факторы, ограничивающие стабильное протекание процесса электрохимического травления. Так, на рис. 4 представлены осциллограммы тока и напряжения, полученные при различных значениях входного давления. Если при входном давлении 1,0 МПа процесс протекает в режиме электрохимического
2
0
0,6 0,5 0,40,3 0,2-
0,3
0,4
0 5
0 6
а, мм
Рис. 5. Влияние зазора на параметр шероховатости при входном давлении 0,8 МПа и времени обработки 5 с
растворения, то при прочих равных условиях снижение входного давления до 0,2 МПа приводит к развитию пробоя МЭП и реализации режима совмещенной электроэрозионно-элек-трохимической обработки. Судя по фотографиям площадок, совмещенный съем материала локализуется на выходе из зазора, что хорошо согласуется с описанием процесса в литературе [5].
Указанная выше зависимость амплитудного тока от величины зазора является основной причиной соответствующего изменения параметра шероховатости (рис. 5). При прочих равных условиях увеличение зазора от 0,33 до 0,60 мм приводит к повышению шероховатости от 0,27 до 0,65 мкм, что хорошо согласуется с ранее указанными данными.
В данном случае выбор времени обработки является одной из основных технологических задач, определяющих точность формообразования. Поскольку величина снятого припуска составляет 5-10 % величины рабочего зазора, скорость растворения можно считать постоянной. Действительно, экспериментальные данные (рис. 6) подтверждают сказанное. Видно, что величина съема материала пропорциональна времени обработки. Расчетная скорость растворения, полученная при значениях электрохимического эквивалента в = 2 • 10-4 г/Кл и выхода по току п = 1, меньше полученной экспериментально. Можно предположить, что указанное несоответствие обусловлено повышенным фактическим выходом по току при растворении азотированной стали из-за эффекта механического выпадания (дезинтеграции) карбонит-ридных включений. Для технологических расчетов при данных условиях обработки зависимость снятого припуска z от времени t имеет вид z = 4,7 г. Это означает, что при глубине занижения 20 мкм машинное время обработки составляет 4,25 с.
Z , мкм 150140 120 100 8060 4020
0
г , с
Рис. 6. Влияние времени обработки на величину снятого припуска г при зазоре 0,33 мм, входном давлении 0,8 МПа и среднем напряжении 8 В:
1 — эксперимент; 2 — расчет
Выводы
Итак, необходимо точно контролировать машинное время обработки. Если задать величину погрешности 1,0 мкм, получаем, что максимальная погрешность времени обработки не должна превышать 0,2 с. Поэтому при проектировании оборудования для данной операции следует предусмотреть электронный таймер с разрешением не более 0,1 с для точного регулирования количества пропущенного электричества.
В общем случае при использовании импульсов тока, форма которых описывается функциональной зависимостью I = 1(г), длительности импульса ти, длительности паузы тп, количестве импульсов в пачке k, паузе между пачками тп. п машинное время обработки гм рассчитывают по формуле
*м = hзS вцэкГ 11(ЬЦЬ,
(2)
0
где Нз — требуемая глубина занижения; f — частота следования пачек импульсов; пэ — выход по току, полученный экспериментальным путем.
В результате проведенных экспериментов установлены параметры режима обработки, обеспечивающие высокое качество изготовления занижений на копировально-проши-вочном станке ЭТМ-200К:
• вид тока — импульсный (параметры указаны выше;
• напряжение технологического тока — 8-10 В;
• электролит: 8%-й + 2%-й Ш^, остальное — вода;
• давление электролита — 0,6-0,8 МПа;
• рабочий зазор — 0,30-0,35 мм.
Оценку точности получения глубины занижения производили опытно-статистическим методом, путем обработки 180 измерений глубины занижения на одном кольце. Вывод: с большой долей вероятности поле рассеяния размеров можно оценить величиной ю = 4 мкм. Это означает, что выполняется условие ю < Т, где Т — допуск на глубину занижений, равный 4,5 мкм [4].
Анализ микрофотографий металлографического шлифа показывает, что после электрохимической обработки микроструктура поверхностного слоя не отличается от микроструктуры азотированного слоя на участке, не подвергавшемся обработке ни в продольном, ни в поперечном направлении. Твердость поверхности, обработанной методом электрохимической размерной обработки, — 89,0 HRNl5, а необработанной поверхности — 88,1 HRNl5. Отсутствуют поверхностные дефекты типа сколов, микротрещин или растравливания по границам зерен. Шероховатость обработанной поверхности Яа = 0,2 г 0,4 мкм, что соответствует требованиям чертежа.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлены закономерности влияния параметров режима на выходные технологические характеристики и выявлены условия электролиза, обеспечивающие электрохимическую обработку аэродинамических занижений в соответствии с требованиями чертежа.
Авторы благодарят проф. Б. П. Саушкина за помощь в организации и обсуждении результатов экспериментов.
Литература
1. Пейчев Г. Т., Кондратюк Э. В., Зиличи-хис С. Д. и др. Сравнительный анализ щеточного и лабиринтного уплотнений ГТД // Вестник дви-гателестроения. 2009. № 1. С. 66-70.
2. Беников В. С., Дикусар А. И., Саушкин Б. П. Анализ технологий изготовления поверхностных занижений глубиной 10...20 мкм // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 6. С. 48-53.
3. Смоленцев В. П., Смоленцев Г. П. Электрохимическая обработка в нестационарном режиме. Воронеж: ВГТУ, 1996. 197 с.
4. Саушкин Г. Б. Особенности электрохимического гравирования аэродинамических занижений в проточном канале // Изв. / МГТУ «МАМИ». 2009. № 1. С. 97-102.
5. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей / Под ред. Б. П. Саушкина. М.: Дрофа, 2002. 656 с.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ПОЛИТЕХНИКА» ПРЕДСТАВЛЯЕТ
Васильков Д. В., Вейц В. Л., Схиртладзе А. Г.
Электромеханические приводы металлообрабатывающих станков СПб.: Политехника, 2010, — 759 с.
В учебнике изложены основы расчетов и конструирования электромеханических приводов металлорежущих станков. Рассмотрены характеристики приводных электродвигателей, методика определения потерь на трении в главных приводах и приводах подач, а также мощности приводного двигателя в приводах станков.
Изложены методы разработки кинематических схем проектируемых приводов при ступенчатом и бесступенчатом регулировании частот вращения. Рассмотрены ступенчатые коробки с нормальной структурой и структурой, отличной от нормальной. Предложена методика кинематического проектирования ступенчатых коробок.
Рассмотрены методы определения зазоров в кинематических парах различных механизмов, расчета мертвого хода в кинематических цепях приводов. Предложены схемы выборки зазоров в кинематических цепях приводов главного движения и подач.
Учебник рассчитан на студентов старших курсов технических вузов и начинающих преподавателей. Цена: 770 руб.
Книгу по издательской цене можно приобрести в издательстве «Политехника» по наличному или безналичному расчету, для иногородних — по заказу «Книга-почтой». 191023, Санкт-Петербург, ул. Инженерная, 6 (ст. метро «Гостиный Двор»), тел.: (812) 571-61-44, тел. /факс: (812) 312-44-95, е-таИ: masha@polytechnics.ru, www.polytechnics.ru
