CC BY
22
УДК 621.9.047/.048:621.833
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС, ИЗГОТОВЛЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
INVESTIGATION OF THE GEAR WHEELS SURFACES PRODUCED BY ELECTROCHEMICAL MACHINING
А. В. Линовский, А. А. Федоров, Н. В. Бобков, Ю. О. Бредгауэр
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
A. V. Linovsky, A. A. Fedorov, N. V. Bobkov, Yu. O. Bradgauer
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В статье представлено исследование поверхности зубчатых колес, изготовленных из стали 38Х2МЮА с применением электрохимической обработки по методу статико-гидродинамического электролиза. Изготовленные образцы зубчатых колес исследованы на растровом электронном микроскопе Jeol JCM-5700. Подобранные в ходе исследования режимы электрохимической обработки обеспечивают хорошее качество рабочей поверхности зубьев, но присутствуют дефекты, сделан вывод о необходимости дальнейшего уточнения причин появления дефектов и совершенствования методики подбора режимов обработки.
Ключевые слова: зубчатое колесо, поверхность, электрохимическая обработка.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-71-75
I. Введение
Электрохимический метод обработки занимает особое место среди методов немеханической обработки благодаря возможности обрабатывать твердые, труднообрабатываемые или необрабатываемые механически материалы, а также различные не жесткие элементы деталей без их деформаций. Разработанный способ изготовления мелкомодульных зубчатых колес [1] использует в качестве финишной обработки электрохимическую обработку на базе статико-гидродинамического электролиза, что позволяет повысить производительность при изготовлении зубчатых колес из твердых материалов, также изготовить зубчатые колеса из твердого сплава, что является невозможным с применением традиционных (механических) методов обработки. Кроме того, предлагаемый способ финишной обработки, позволяет получить более высокие эксплуатационные характеристики изготавливаемых зубчатых колес по сравнению с традиционной финишной обработкой (шлифованием).
Электрохимическая обработка представляет собой процесс удаления материала путем анодного растворения в процессе электролиза [2]. К преимуществам электрохимической обработки относят возможность обрабатывать материалы независимо от их твердости, получение хорошего качества поверхности даже при обработке сложных контуров, а также изготовление деталей без внутренних напряжений в поверхности и микротрещин [3].
Проведенные авторами [4] исследования показали, что при производстве турбинных колес такие нетрадиционные методы обработки, как электроэрозионная и электрохимическая, превосходят традиционное фрезерование по технологическим и экономическим показателям. Также авторы отмечают, что электроэрозионная обработка более применима при производстве мелких партий, а электрохимическая - крупносерийном производстве. Авторы [5] в своем исследовании показали эффективность применения электрохимической обработки для изготовления деталей со сложной геометрией для аэрокосмической промышленности.
В качестве электролита могут использоваться кислотные, щелочные или нейтральные водные растворы. Для обработки сталей предпочтительней использовать водные растворы кислот ввиду того, что они хорошо растворяют в том числе различные примеси, содержащиеся в металле [6]. Для обработки деталей из твердых сплавов, в частности карбида вольфрама, используются нейтральные и щелочные растворы [7]; связано это с тем, что кислотные электролиты вызывают образование пассивного оксидного слоя на деталях из карбида вольфрама, который существенно замедляет процесс обработки. Также могут использоваться специфические неводные электролиты, например NH4NO3/NH3, который применяется для обработки изделий из молибдена [8]. Многие из применяемых электролитов токсичны для человека и требуется создание специальных условий на производств, для защиты оператора станка от вредного воздействия. Также продукты электролиза, представляющие собой, как правило, различные соли металлов, могут требовать специальных условий утилизации. Этот фактор является одним из ограничивающих применение электрохимической обработки в единичном и мелкосерийном производстве. Экономически невыгодна эксплуатация одной или нескольких единиц оборудования, для которых необходима инфраструктура по подготовке, хранению и переработке электролита. Исходя из вышесказанного одним из актуальных направлений исследований является обработка с использованием таких нейтральных нетоксичных и безопасных для окружающей среды электролитов, как вода [9] или лимонная кислота [10].
Также актуальными направлениями в исследовании электрохимической обработки являются моделирование и симуляция процесса обработки; в этом направлении существенный вклад внесен N. M. Minazetdinov в работах [11, 12], группой авторов в работах [13, 14].
Другим актуальным направлением является проработка всех аспектов проектирования электрод-инструмента [15], совершенствование систем контроля и мониторинга [16], а также развитие гибридных методов обработки, таких как комбинированная обработка [17].
II. Постановка задачи
Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что поверхность зубчатых колес, обработанных электрохимическим методом, недостаточно изучена и требуется проведение дальнейших исследований в этом направлении. Морфология и различные особенности микрорельефа оказывают существенное влияние на эксплуатационные характеристики изготавливаемых зубчатых колес, задачей исследования ставится изучение морфологии зубчатых колес, обработанных электрохимическим методом и подбор оптимальных режимов обработки.
III. Теория
Для проведения исследования зубчатые колеса были рассчитаны по методике [18]. Затем подобран электролит согласно справочным данным.
IV. Результаты экспериментов
Для проведения исследования были изготовлены образцы зубчатых колес с модулем m=1 из стали 38Х2МЮА на электроэрозионном проволочно-вырезном станке Sodick VZ300L, далее проведена электрохимическая обработка по принципу статико-гидродинамического электролиза на токарно-винторезном станке, переоборудованном для размерной электрохимической обработки. В качестве электролита использована смесь азотнокислого натрия 60 г/л, сернокислого натрия 120 г/л, уксуснокислого натрия 30 г/л и керосина 20 мл/л. Расход электролита - 0,5 л/мин, напряжение - 10 В, время обработки - 2 мин, по одной минуте с направлением вращения в разные стороны.
Изготовленные по разработанной технологии зубчатые колеса были исследованы на растровом электронном микроскопе Jeol JCM-5700 c рентгеновским энергодисперсионным спектрометром в режиме высокого вакуума. Тип сигнала - вторичные электроны (SEI). Параметр SpotSize изменяли в диапазоне от 20 до 30, величину ускоряющего напряжения от 5 до 20 кВ, увеличение от 22 до 300 крат. Полученные изображения представлены на рис. 1-4.
Рис. 1. Зубчатое колесо с увеличением 22 крат
20кУ Х40 500рт
24 50 8Е1
Рис. 2. Зубчатое колесо с увеличением 40 крат
20к\/ Х100 ЮОрт
24 50 ЭЕ!
Рис. 3. Дефект во впадине зуба с увеличением 100 крат
20М Х300 50нт
24 50 ЭЕ!
Рис. 4. Дефект во впадине зуба с увеличением 300 крат
V. Обсуждение результатов
На рис. 1 и 2 представлено изготовленное зубчатое колесо с увеличением 22 и 40 крат соответственно. На рис. 3 и 4 под большим увеличением в 100 и 300 крат показана область впадины зуба для более детального рассмотрения обнаруженных дефектов.
На представленных изображениях видно, что использованные режимы позволили получить требуемое качество поверхности на рабочей и верхней поверхностях зубьев. На этих поверхностях обнаружено минимальное количество дефектов, они однородны и, вероятно, обеспечат хорошую работоспособность изготовленных колес, что в дальнейших исследованиях будет проверено на практике. На впадинах зубьев присутствуют дефекты: области «кораллообразного рельефа» (рис. 1, 2); на рис. 3, 4 под большим увеличением показаны эти поверхности, которые были растравлены в результате неоптимальных режимов обработки. Такие дефекты вызваны неправильным подбором электролита и (или) недостаточной скоростью истечения электролита из сопла. Скорость истечения, как известно, должна быть равна скорости взаимного обката электродных поверхностей. И, вероятно, расчетная скорость не выдерживалась на протяжении всей обработки из-за несовершенства лабораторной установки. Дефекты получены только во впадине ввиду менее благоприятных условий обработки, нежели на боковой поверхности зуба, из-за большего времени удержания в этой зоне электролита или образования турбулентных завихрений в этой зоне. Результаты показывают, что необходимо проведение дальнейших исследований, направленных на подбор режимов обработки, обеспечивающих более высокое качество всех обрабатываемых поверхностей.
VI. Выводы и заключение
В данном исследовании были изучены зубчатые колеса, обработанные электрохимическим методом. Основные результаты сформулированы следующим образом:
- подобранные режимы позволяют получить хорошее качество боковых поверхностей зубьев изготавливаемых колес;
- присутствуют дефекты во впадинах зубьев, что указывает на то, что выбранные режимы неоптимальны и требуется дальнейшее исследование, направленное на получении поверхности с минимальным количеством дефектов.
Список литературы
1. Линовский А. В. Изготовление мелкомодульных зубчатых колес с применением электрофизических и электрохимических методов обработки // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5, № 1. С. 102-105.
2. McGeough J. A. Principles of electrochemical machining. 1974:Chapman and Hall.
3. Sundaram M.M. and K. Rajurkar Electrical and Electrochemical Processes, in Intelligent Energy Field Manufacturing. 2010. CRC Press. P. 173-212.
4. Klocke F.,Zeis M., Klink A., Veselovac D., Technological and Economical Comaprision of Roughing Starte-gies via Milling, EDM and ECM for Tiatnium- and Niclel-based Blisks // Proceedings of the 1st CIRP Global Web Conference on Interdisciplinary Research in Production Engineering. 2012. Vol. 2. P.98-101.
5. Pavlinich S. [et al.]. Electrochemical shaping of aerodynamic seal elements // Russian Aeronautics (Iz VUZ), 2008. Vol. 51 (3). P. 330-338.
6. Neergat M., Weisbrod K. R. Electrodissolution of 304 stainless steel in neutral electrolytes for surface decontamination applications // Corrosion Science. 2011. Vol. 53 (12). P. 3983-3990.
7. Munda J., Malapati M., Bhattacharyya B. Control of microspark and stray-current effect during EMM process // Journal of Materials Processing Technology. 2007. Vol. 194 (1-3). P. 151-158.
8. Abbas Q., Binder L. The electrochemical dissolution of molybdenum in non-aqueous media // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2011. Vol. 29 (4). P. 542-546.
9. Huaiqian B., Jiawen X., Ying L. Aviation-oriented Micromachining Technology-Micro-ECM in Pure Water // Chinese Journal of Aeronautics. 2008. Vol. 21 (5). P. 455-461.
10. Ryu S. H. Micro fabrication by electrochemical process in citric acid electrolyte // Journal of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209 (6). P. 2831-2837.
11. Minazetdinov N. M. A hydrodynamic interpretation of a problem in the theory of the dimensional electrochemical machining of metals // Journal of Applied Mathematics and Mechanics. 2009. Vol. 73 (1). P. 41-47.
12. Minazetdinov N. M. A scheme for the electrochemical machining of metals by a cathode tool with a curvilinear part of the boundary // Journal of Applied Mathematics and Mechanics. 2009. Vol. 73 (5). P. 592-8.
13. Deconinck D., Damme S. V., Deconinck J. A temperature dependent multi-ion model for time accurate numerical simulation of the electrochemical machining process. Part I: Theoretical basis // Electrochimica Acta. 2012. Vol. 60. P. 321-328.
14. Deconinck D., Damme S.V., Deconinck J., A temperature dependent multi-ion model for time accurate numerical simulation of the electrochemical machining process. Part II: Numerical simulation. Electrochimica Acta. 2012. 69. P. 120-127.
15. Zhiyong L., Zongwei N. Convergence Analysis of the Numerical Solution for Cathode Design of Aeroengine Blades in Electrochemical Machining // Chinese Journal of Aeronautics. 2007. Vol. 20 (6). P. 570-576.
16. Wang X., Zhao D., Yun N. Research on intelligent measurement and control method of interelectrode gap of electrochemical machining (ECM) // China Mechanical Engineering. 2007. Vol. 18 (23). P. 2860-4.
17. Zeng Z. [et al.]. A study of micro-EDM and micro-ECM combined milling for 3D metallic micro-structures. Precision Engineering. 2012. 36 (3). P. 500-509.
18. Линовский А. В., Федоров А. А., Тигнибидин А. В. Такаюк С. В., Лаврентьев С. В. Исследование точности зубчатых колес, изготовленных с применением электроэрозионной обработки // Динамика систем, механизмов и машин. 2018. Т. 6, № 1. С. 167-174.
УДК 62191 (075)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ РЕЗАНИЕМ НАРУЖНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ПРЕДЫСКАЖЕННЫЕ СТАТИЧЕСКИЕ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ИСНТРУМЕНТА
EXPERIMENTAL STUDY OF THE ACCURACY CAPABILITIES OF THE METHODS SHAPING BY CUTTING THE OUTER CYLINDRICAL SURFACES NON-RIGID SHAFTS THAT USE PREDSKAZANIE STATIC TRAJECTORY TENDED
В. Г. Мальцев, Н. С. Морозова
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
V. G. Maltsev, N. S. Morozova
Omsk state technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Рассмотрены вопросы, связанные с обеспечением высоких точностных требований к размерам и форме наружных цилиндрических поверхностей нежестких валов путем использования предыскаженных статических траекторий движения режущего инструмента. Экспериментально подтверждена высокая эффективность применения уточненных предыскаженных траекторий движения режущего инструмента, построение которых осуществлялось по предложенной в статье уточненной методике.
Ключевые слова: формообразование резанием, наружные цилиндрические поверхности нежестких валов, точность обработки, предыскаженные траектории.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-75-79
I. Введение
При формообразовании резанием наружных цилиндрических поверхностей в нежестких технологических системах (ТС), обусловленных малой жесткостью обрабатываемых заготовок, возникают трудности в обеспечении высоких точностных требований к размерам и форме этих поверхностей из-за значительных деформаций заготовок под действием резания.
Вопросам преодоления данных трудностей уделялось и продолжает уделяться значительное внимание [1-5]. Многочисленные исследования позволили вскрыть многие основные закономерности явлений упругих деформаций нежестких ТС и создать, опираясь на эти закономерности, различные методы и средства улучшения качества обработки. Обзору технологических способов и средств повышения точности изготовления нежестких деталей посвящена работа [6]. Проводимые частные исследования все в большей мере проясняют общую картину формообразования нежестких деталей.
II. Постановка задачи
При использовании токарных станков с ЧПУ эффективным средством достижения высокой точности размеров и формы цилиндрических поверхностей является способ, основанный на использовании предыска-женных траекторий, выражающих тот или иной закон изменения по длине обработки размера статической настройки А: (условные обозначения величин, принятые в данной работе, заимствованы из статьи [7] для обеспечения их преемственной связи), который в процессе обработки обеспечивал бы нахождение числового значения получаемого радиального размера А.ф в границах, установленных соответствующим полем допуска.
Эффективность применения предыскаженных траекторий движения режущего инструмента зависит от подхода, на основе которого строится эта траектория. Теоретический аспект данного вопроса рассмотрен в работе [7]. Однако в существующей литературе отсутствуют экспериментальное данные, подтверждающие теоретические положения проведенных исследований. Данная работа призвана проиллюстрировать некоторые из этих положений.
