CC BY
93
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
УДК 621.9
Формирование газовой анодной оболочки и ее влияние на возможности электролитно-плазменной обработки сложных поверхностей
Л. А. Ушомирская, В. И. Новиков, А. И. Фоломкин
Детали, применяемые в механосборочных процессах, ограничены поверхностями, представляющими собой совокупность рабочих и нерабочих поверхностей. Рабочая поверхность является конструктивно необходимым элементом каждой детали и в зависимости от назначения изделия может иметь очень сложную форму. Поверхность считается сложной формы, если ее параметры локальной топологии изменяются от одной точки к другой бесконечно близкой точке (рис. 1).
Рабочие поверхности деталей рассматриваемого типа называют еще пространственно-сложными или объемными поверхностями, а также свободной формы или фасонными.
В процессе проектирования и разработки технологических процессов обработки таких деталей используют три основных способа задания поверхности: аналитический, кинематический и каркасом.
С точки зрения построения технологических процессов эти поверхности вызывают определенные сложности, требуя специальных средств технологического оснащения: станков, инструментов, измерительных приборов и специальных установок [1]. Часто такие поверхности для обеспечения необходимых эксплуатационных свойств должны об-
а)
я"
3
2
Рис. 1. Примеры деталей с поверхностями сложной формы:
1 — рабочая поверхность; 2 — замковая часть; 3 — нерабочие поверхности
№3(69)/2012
ладать высокой точностью, низкой шероховатостью, малыми размерами дефектного слоя, что в сочетании со сложной формой обуславливает наличие определенных проблем в процессе финишной обработки. Рабочие поверхности сложной формы можно разделить на открытые (рис. 1, а) и полуоткрытые (рис. 1, б). С точки зрения построения технологических процессов, применяемого оборудования и оснастки открытые поверхности имеют явные преимущества по сравнению с полуоткрытыми.
На чистовых операциях изготовления сложных поверхностей деталей эффективно применение метода электролитно-плазменного полирования [2, 3], который не требует специального инструмента и оснастки. В данной работе рассмотрены технологические возможности электролитно-плазменного полирования выпуклых и вогнутых поверхностей различных деталей. Напомним, что поверхность называется выпуклой на интервале (а; Ь) (рис. 2), если все ее точки (а...т...п...Ь) расположены ниже любой своей касательной (АА; ББ) на этом интервале, и вогнутой на интервале (Ь; с), если все ее точки (Ь...к...Ь...с) выше любой своей касательной (ББ; ГГ) на этом интервале.
На основании длительных исследований по электролитно-плазменному полированию сложнопрофильных внутренних и наружных поверхностей заготовок из различных сталей
ш
Рис. 2. Выпуклые и вогнутые фасонные поверхности детали
пИ
1
метамбраб™
а)
б)
в)
Рис. 3. Стадии образования газовой анодной оболочки (ГАО): а — подача напряжения отсутствует; б—д — рост и формирование газовой анодной оболочки; е — существование газовой анодной оболочки в стационарном режиме
и сплавов можно сделать вывод, что значительное влияние на технологические возможности, в частности шероховатость поверхности и производительность обработки, оказывают формирование газовой анодной оболочки в межэлектродной зоне и ее параметры. Исследование стадий образования газовой анодной оболочки осуществлялось по видеозаписи процесса электролитно-плазменного полирования плоских образцов 12Х18Н10Т, производимой на цифровой фотоаппарат с частотой 30 кадров в секунду. В процессе эксперимента был использован водный раствор сернокислого натрия (Ма2804) с концентрацией электролита 0,18 моль/л, температурой 95 °С, рабочее напряжение 320 В, плотность тока 0,2 А/см2.
Как видно на рис. 3, газовый анодный слой вокруг наружной поверхности заготовки образовывается неодновременно по всей обрабатываемой поверхности; по краям поверхности заготовки, где напряженность электрического поля имеет наибольшее значение, полирование происходит более интенсивно.
В дальнейшем газовая оболочка разрастается и охватывает всю обрабатываемую площадь заготовки, замыкая поверхность детали в газовый пузырь. Еще одним доказа-
тельством, подтверждающим факт более интенсивной обработки на краях заготовки, является значительное притупление острых кромок после электролитно-плазменного полирования.
Для исследования процессов формирования газовой анодной оболочки вокруг вогнутых поверхностей и возможностей их полирования были спроектированы цилиндрические полые образцы с прорезью вдоль образующей цилиндра, в качестве материала для образцов была выбрана коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т.
При постановке эксперимента по электро-литно-плазменному полированию вышеописанных образцов использовался водный раствор сернокислого натрия (Ма2в04) с концентрацией электролита 0,2 моль/л, температурой 95 °С, рабочее напряжение 320 В, плотность тока 0,15 А/см2, время обработки 5 мин.
После полирования образцы разрезали пополам вдоль образующей (рис. 4), а полученную поверхность исследовали органолепти-ческим способом и при помощи контактного портативного профилографа-профилометра МагБиг£ Р81. Собранные данные о шероховатостях поверхностей образцов представлены в табл.
Как показали проведенные исследования, обработка наружных цилиндрических поверхностей происходит без каких-либо препятствий и уровень шероховатости поверхно-
а)
б)
Рис. 4. Внутренние цилиндрические поверхности образцов из стали 12Х18Н10Т после электролитно-плаз-менного полирования: а — цилиндрический образец без разреза; б — цилиндрический образец с разрезом вдоль образующей шириной 1 мм; в — цилиндрический образец с разрезом вдоль образующей шириной 5 мм; г — цилиндрический образец с разрезом вдоль образующей шириной 8 мм
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
ММАШШО!
Таблица
Шероховатости поверхностей после электролитно-плаз-менного полирования
Поверхность
Ширина наружная внутренняя
образца, мм д° ЭПП, мкм Ва после аЭПП, мкм К до ЭПП, мкм Ва после аЭПП, мкм
Без паза 1,786 0,864 Обработка не происходила
1 1,624 1,135 То же
5 1,743 0,899 1,774 1,041
8 1,793 0,997 1,763 0,997
сти по шкале Яа снижается в течение 5 мин на 0,5-0,9 мкм. В то же время обработать внутреннюю цилиндрическую поверхность в двух первых случаях (рис. 4, а, б) не удалось по следующей причине. Газовая анодная оболочка является источником значительного количества теплоты (мощность одного разряда составляет около 200 Вт), которая в случае полирования наружных поверхностей отводится в находящийся вокруг детали электролит. В этом случае газовая анодная оболочка является стабильной, а процесс полирования протекает равномерно по всей поверхности. В свою очередь, при электролитно-плазменном полировании внутренних цилиндрических поверхностей процесс протекает при недостаточном отводе теплоты. В этом случае выделяемое газовой анодной оболочкой тепловая энергия преобразует поверхностное кипение в пузырьковое на внутренней обрабатываемой поверхности и происходит интенсивное выбрасывание электролита из внутренней полости (рис. 5, а, б), что препятствует стабильности процесса электролитно-плазмен-ного полирования.
Чем больше паз и более открыта внутренняя поверхность, тем лучше отводится теплота из зоны полирования, а газовая анодная оболочка находится в более стабильном состоянии (рис. 5, в, г), при этом наблюдается снижение шероховатости поверхности на 0,5-0,9 мкм (рис. 4, в, г).
Аналогичные испытания были произведены на образцах из легированных сталей 20X13 и 15Х11МФ с начальным уровнем параметра Яа = 2,5 - 0,4 мкм в водном растворе сернокислого натрия с концентрацией 0,3 моль/л, температурой 95 °С, рабочее напряжение 320 В, время обработки 5 мин; после электролитно-плазменного полирования достигнутое значение шероховатости Яа = = 1,1 - 0,1 мкм соответственно.
В ходе экспериментов установлено, что при электролитно-плазменном полировании наблюдается разброс значений параметра Яа в пределах одной поверхности: для выпуклой поверхности Яа = 0,01 - 0,02 мкм; для вогнутой поверхности Яа = 0,02 - 0,03 мкм; для плоской поверхности Яа = 0,01 - 0,02 мкм. Таким образом, неравномерность при полировании плоских и выпуклых поверхностей является незначительной, что можно объяснить формированием равномерной газовой анодной оболочки в зоне обработки.
В результате проведенных исследований экспериментально был установлен минимальный диаметр внутренней поверхности, подлежащей полированию, составляющий 50 мм. Кроме того, обработку внутренних поверхностей рекомендуется проводить при соотношении диаметра внутренней поверхности к ее длине не более 1 : 1. При проектировании поверхностей деталей, подлежащих электро-литно-плазменному полированию, их следует делать максимально открытыми, что способствует быстрому отводу теплоты от полируемой поверхности, стабильному существованию газовой анодной оболочки и высокой эффективности процесса.
а) б)
Рис. 5. Фотоизображения газовой анодной оболочки при электролитно-плазменном полировании цилиндрических образцов: а — цилиндрический образец без разреза; б — цилиндрический образец с разрезом вдоль образующей шириной 1 мм; в — цилиндрический образец с разрезом вдоль образующей шириной 5 мм; г — цилиндрический образец с разрезом вдоль образующей шириной 8 мм
Выводы
1. На основании исследования образования газовой анодной оболочки и элементов режима электролитно-плазменного полирования установлено, что данным методом могут быть получены значения шероховатости поверхностей Яа до 0,1 мкм, при этом разброс значений для выпуклой поверхности Яа = = 0,01 - 0,02 мкм, для вогнутой поверхности Яа = 0,02 - 0,03 мкм, для плоской поверхности Ва = 0,01 - 0,02 мкм.
2. Производительность съема на наружных поверхностях составила 0,18 мкм/мин, на внутренних — 0,14 мкм/мин.
Литература
1. Ушомирская Л. А., Фоломкин А. И., Новиков В. И.
Особенности чистовой обработки турбинных лопаток // Металлообработка. 2008. № 4 (46). С. 19-21.
2. Ушомирская Л. А., Новиков В. И. Полирование легированных сталей в нетоксичных электролитах при высоком напряжении // Металлообработка. 2008. № 1 (43). С. 22-24.
3. Локтев Д. Е., Ушомирская Л. А., Новиков В. И. Исследование параметров электролитно-плазменно-го полирования низколегированной стали методом планирования полного факторного эксперимента // Металлообработка. 2009. № 5 (53). С. 15-18.
4. Кириллов Н. Б., Васильков С. Д., Новиков В. И. Исследование влияния электролитно-плазменного полирования на качество поверхностного слоя изделий из легированных сталей // Научн.-техн. ведомости СПбГПУ. 2010. № 2-2 (100). С. 130-135.
УДК 621.9.048
Скоростная электроэрозионная обработка пазов системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания
Д. М. Забельян, В. В. Рогов, Е. А. Митрюшин, Ю. А. Моргунов, Б. П. Саушкин
При изготовлении пространственно-сложных изделий возникает необходимость выполнять электроэрозионную прошивку отверстий, ориентированных различным образом в системе координат станка [1, 2]. Для этой цели созданы и представлены на рынке оборудования 4-6-координатные прошивочные станки. Характерным примером изделия, при обработке которого приходится использовать многокоординатные электроэрозионные прошивочные станки, является жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя с новой схемой охлаждения. В настоящей работе отражен опыт разработки эффективных технологий формообразования пазов и отверстий в таких деталях на оборудовании компании Winbro group technologies (Anchem) [3].
Новая конструкция системы охлаждения секций жаровой трубы содержит большое количество отверстий малого диаметра (0,72,0 мм), выходящих в глухие пазы-карманы длиной 5 мм, шириной 1,5 мм и глубиной 5 мм (рис. 1). В перспективных конструкциях секций с тоннельной схемой охлаждения
планируется изготавливать пазы глубиной до 18 мм.
5684 пазов в секциях жаровой трубы изготовлены на копировально-прошивочных 4-координатных станках модели Н8-600. Наладка станка для изготовления двух пазов медными электродами-пластинами показана на рис. 2. Для данной технологии применено специальное делительное приспособление, разработана управляющая программа для автоматического перемещения электрода-инструмента (ЭИ) на 5 позиций с электроэрози-
Рис. 1. Пазы в секции жаровой трубы
у
№ 3(69)/2012
