CC BY
54
УДК 621.9.047
КОМБИНИРОВАННАЯ ОБРАБОТКА ПЕРЕХОДНЫХ УЧАСТКОВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев, А.А. Болдырев, А.В. Мандрыкин
Рассмотрены процессы, происходящие в зоне обработки, факторы, влияющие на состояние поверхностного слоя обработанной поверхности, режимы и способы обработки переходных участков. На основе теоретических и экспериментальных исследований переходных участков предложена укрупненная технология обработки переходных участков непрофилированным инструментом
Ключевые слова: комбинированная обработка, электрод-щетка, чистовая обработка
Введение
Комбинированные методы обработки, несмотря на весьма небольшую их долю в общем объеме затрат современного машиностроительного производства, представляют собой область, в которой в промышленно развитых странах концентрируются большие интеллектуальные и инвестиционные ресурсы. Основой повышенного интереса является то, что многие из них дают возможность изготовления уникальных изделий, которые трудно получить с помощью традиционных методов и которые могут служить залогом технологического первенства в машиностроительных и информационных технологиях.
Одним из таких методов является комбинированная обработка непрофилированным электродом-щеткой, представляющая собой комбинацию механического, химического и теплового (электроэрозионного) воздействия на обрабатываемую деталь. Рабочей частью такого инструмента являются расположенные перпендикулярно обрабатываемой поверхности пучки электропроводящей проволоки [1].
Процессы, происходящие в зоне обработки переходных участков деталей непрофилированным инструментом К переходным участкам деталей машин относятся места пересечения наружных и внутренних поверхностей, ступенчатые поверхности и др., которые характеризуются наличием острых кромок с образованием концентраторов напряжений и заусенец. Обработка таких поверхностей происходит комбинированными непрофилированными инструментами в виде
Болдырев Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, e-mail: tm@vorstu.ru
Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: vsmolen@inbox.ru Болдырев Александр Александрович - ВГТУ, аспирант, e-mail: alexboldyrev@yandex.ru
Мандрыкин Андрей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 221-06-95
электродов-щеток (рис. 1): кольцевых, дисковых, цилиндрических, торцевых, кисточковых и др. Выбор той или иной конструкции инструмента зависит от вида и геометрических особенностей обрабатываемой поверхности. Но независимо от конструкции комбинированного электрода-инструмента, выбранного для обработки переходного участка, осциллограммы изменения тока I (рис. 2) и кинограммы скоростной съемки позволили установить, что процесс съема электродом-щеткой происходит в несколько этапов [2].
На первом этапе (начало процесса) проволока приближается к заготовке. Зона АВ, характеризующая данный этап, характеризует рост тока при приближении электрода к зоне обработки, что связано с уменьшением межэ-лектродного зазора и увеличении анодного растворения. При достижении некоторого зазора между электродами происходит разряд, аналогичный взрыву в жидкости. Возникает мощная ударная волна, которая, отражаясь от заготовки, воздействует на конец проволоки.
Рис. 1. Схема обработки поверхностей с острыми кромками: 1 - обрабатываемая поверхность; 2 - электрод-щетка; w - угловая скорость; V - скорость подачи
Рис. 2. Осциллограмма изменения тока при
обработке дисковым электродом-щеткой
На втором этапе конец проволоки под действием взрыва изгибается (форма изгиба зависит от материала проволоки, геометрических и механических характеристик щетки). Конец проволоки под действием сил ударной волны удаляется от обрабатываемой поверхности на расстояние большее, чем необходимо для следующего разряда. Осуществляется повторный съем металла за счет анодного растворения. После частичного выпрямления проволоки возможен повторный разряд, который вновь вызовет ее изгиб.
Третий этап характеризуется касанием проволокой обрабатываемой поверхности, вследствие чего наступает короткое замыкание. В зоне ВС токи короткого замыкания большой величины вызывают расплав контактирующих электродов, что приводит к возникновению разрядного канала. Но образование большого количества газообразных продуктов анодного растворения и термического разложения электролита, несплошность расположения ворсинок в электроде-инструменте, приводят к разрыву разрядного канала и коммутированию микро-дуговых разрядов. На этой стадии съем металла происходит только за счет механического царапания.
На четвертом этапе при выходе проволоки из зоны обработки ее концы сначала находятся в контакте с обрабатываемой поверхностью, и происходит депассивация поверхности. На этой стадии механический съем для мягкой проволоки незначителен, т.к. сила ее прижима к обрабатываемой поверхности невелика. Проволока скользит вдоль заготовки, при этом возможно образование зазоров и разрядов между электродами, которые переходят в микродуговые процессы. В результате часть проволоки приваривается к обрабатываемой поверхности, некоторые фрагменты обрываются, вызывая повы-
шенный износ инструмента и нарушение качества поверхностного слоя детали. Падение силы тока в зоне ЕЕ связано с дальнейшим увеличением межэлектродного зазора и уменьшением скорости анодного растворения.
Факторы, влияющие на состояние поверхностно слоя обработанной поверхности, режимы и способы обработки переходных участков
Экспериментальные исследования [3, 4] состояния поверхностного слоя переходных участков показали, что наибольшее влияние на величину остаточных напряжений оказывает плотность тока, натяг и линейная скорость вращения электрода-щетки. Однако влияние этих факторов на остаточные напряжения неоднозначно.
Микроструктурный анализ образцов из алюминиевого сплава Д16 показал, что при плотностях тока выше 300 А/см2 образуются растягивающие остаточные напряжения уже на глубине 15 мкм. Кроме того, в поверхностном слое образуются отталкивающие слои, а на поверхности - капли, получаемые при расплавлении металла.
С увеличением натяга величина сжимающих напряжений растет, но его увеличение свыше 0,72 мм уже ведет к ухудшению состояния поверхности и снижению величины сжимающих напряжений. Так после обработки электродом-щеткой с натягом 1,62 мм в поверхностном слое наблюдаются микротрещины, которые в значительной степени снижают коррозионную стойкость деталей под напряжением и межкристальную коррозию.
Увеличение скорости вращения электрода-щетки до 25-35 м/с ведет к увеличению величины остаточных напряжений. При дальнейшем увеличении скорости величина сжимающих напряжений растет незначительно.
Глубина залегания остаточных напряжений сжатия зависит также от плотности набивки пучка. Так при плотности набивки пучка 0,300,52 глубина залегания сжимающих остаточных напряжений составляет 30-36 мкм, а при плотности набивки пучка 0,52-0,60 глубина залегания сжимающих остаточных напряжений уже достигает до 50 мкм, что связано, видимо, с механической составляющей комбинированного процесса.
Варьирование технологическими факторами комбинированного процесса позволило рекомендовать оптимальные технологические режимы для гарантированного получения сжимающих остаточных напряжений: рабочее на-
пряжение - 5,5-6 В, частота вращения электрода-инструмента - 1500 мин-1, время обработки
- 40-50 с [4].
При обработке пластичных токопроводящих материалов наблюдается снижение качества обработки за счет местных дефектов от воздействия проволоки на поверхность заготовки. Для повышения качества и производительности предложен способ электромеханической обработки [5]. Вращающийся электрод-щетка (рис. 3) представляет собой втулку 1, на которой консольно закреплена проволока 2. помещенная в трубку 3 из эластичного диэлектрического материала. Трубка 3 закреплена на втулке 1 и имеет возможность скольжения относительно проволоки 2.
Рис. 3. Способ электрохимикомеханической обработки: 1 - втулка, 2 - проволока;
3 - трубка; 4 - обрабатываемая поверхность
Обработку ведут в два этапа. На первом черновом этапе обработка ведется с прижимом 0,8-1,2 мм, позволяющим осуществить ускоренный съем металла с обрабатываемой поверхности 4. На этом этапе обработка основана на эрозионнохимикомеханическом съеме металла. Диэлектрическая трубка 3 выполнена короче проволоки и не касается обрабатываемой поверхности 4. Частота вращения 00 задается такой, чтобы на первом этапе не происходило касания трубкой 3 обрабатываемой поверхности.
На втором этапе электрод-щетка отводится от поверхности 4 до устранения разрядов и увеличивается частота вращения до Шх. Под действием центробежных сил эластичная трубка 3 удлиняется до касания с обрабатываемой
поверхностью 4, и таким образом осуществляется процесс чистовой обработки с постоянной силой тока.
В ряде случаев эффективно инструмента с использованием проволоки, обладающей эффектом памяти и способной многократно изменять форму [6]. При подходе пучков к зоне обработки они принимают форму, заложенную в память металла, где изгиб концов устраняет удар проволоки и переходную кромку заготовки. При достижении концами проволоки поверхности заготовки ток возрастает, происходит нагрев пучков и проволока приобретает рабочее положение. Величина напряжения рассчитывается из условия получения разряда между электродом-щеткой и заготовкой на первой стадии процесса.
Использование указанных способов чистовой обработки электродом-щеткой позволяют получать переходные поверхности без местных дефектов от воздействия проволоки.
Технология обработки переходных участков непрофилированным инструментом
В общем случае технология обработки может быть представлена следующими основными этапами:
- подготовительный;
- обработка на оборудовании;
- контрольный.
На подготовительном этапе осуществляется выбор конструкции инструмента и его размеров. Конструкция инструмента, материал проволочек щетки, количество проволоки в пучке, число пучков в электроде-щетке, шаг между пучками и др. определяются по рекомендациям
[7].
На этом же этапе определяются составы рабочих сред. Рекомендуются растворы солей (№01, КаК03 и др.) с добавками до 20 % масла “Индустриальное 20» и токопроводящих эмульсий (97 % Н2О + 3 % «Укринол 1»).
На втором этапе обработка переходных участков деталей машин осуществляется на модернизированном или специально спроектированном оборудовании для обработки электродом-щеткой. Обработка на станке включает контроль наличия электрической цепи, установку режимов обработки (напряжение, величину прижима электрода-щетки, скорость подачи, время обработки), контроль режимов обработки.
Контроль наличия электрической цепи и контроль режимов обработки осуществляется непосредственно рабочим, работающим на
оборудовании. Режимы обработки назначаются по [7]. Оснащение станков для комбинированной обработки системами ЧПУ позволяет более эффективно реализовывать возможности способа.
На третьем этапе окончательный контроль геометрических размеров выполняется согласно действующей технологии стандартными измерительными устройствами и приборами. Контроль осуществляется непосредственно рабочим, работающим на оборудовании.
Вывод
Предложенная технология комбинированной обработки электродом-щеткой, заключающейся во взаимном управлении составляющих процесса, весьма эффективна при скруглении острых кромок, удалении припуска, заусенцев, грата, облоя, зачистке сварных швов, а также полировке поверхностей. За счет совмещения электрохимического, электроэрозионного и механического воздействий представляется возможным повышение производительности и качества обработки, улучшение внешнего вида изделий.
Литература
1. Кириллов О.Н. Применение электрода-щетки в машиностроении / О.Н. Кириллов // Гибкоструктурные нетрадиционные технологии в машиностроении и приборостроении: сб. ст. Воронеж: ВГТУ, 1996. С. 72-76.
2. Смоленцев В.П. Нетрадиционные методы электрохимической размерной обработки / В.П. Смоленцев, В.Ю. Черепанов // Вопросы физики формообразования и фазовых превращений: сб. ст. Калинин: КГУ, 1989. С. 139-143.
3. Кукуева Л. Л. Влияние обработки катодом-щеткой на усталостную прочность изделий из титановых сплавов / Л.Л. Кукуева, Б.В. Аракелян // Новые процессы получения и обработки металлических материалов: тез. докл. сов. по напр. 2.25.1.1. Воронеж: ВорЦНТИ, 1990. С. 44.
4. Черепанов В.Ю. Обработка электродом - щеткой как один из путей обеспечения долговечности деталей /
B.Ю. Черепанов, В.П. Смоленцев // Проблемы долговечности материалов и рабочих сред: сб. ст. Тула: ТПИ, 1985.
C. 27-29.
5. А.с. 1646729 СССР, МКИ4 В 23Н 7/12, 3/04. Способ электромеханической обработки / А.И. Болдырев, О.Н.Кириллов, Н.А. Тюкачев, В.Ю. Черепанов (СССР). Опубл. 1991, Бюл. № 17.
6. Тихонов С.А. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении / С. А. Тихонов, С. А. Герасимов, И.И. Прохоров. М.: Машиностроение, 1981. 79 с.
7. Комбинированная чистовая обработка сплавов / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, О.Н. Кириллов, В.Г. Емельянов // Технологические проблемы машиностроительного производства: межвуз. науч.-техн. сб. Липецк: ЛГТУ, 1994. С. 13-17.
Воронежский государственный технический университет
COMBINED TREATMENT OF TRANSITION SECTIONS IN MACHINE PARTS A.I. Boldyrev, V.P. Smolentsev, A.A. Boldyrev, A.V. Mandrykin
The article deals with processes taking place in treatment zone, factors influencing the state of machined surface coating, modes and methods for processing of transition sections. On the basis of theoretical and experimental studies of transition zones the authors introduce enlarged technology for processing of transition zones by unshaped tool
Key words: combined treatment, brush electrode, finishing
