CC BY
8УДК 621.3.035.2:621.78:621.9.048.4
НАГРЕВ СБОРНОГО ЭЛЕКТРОДА ПРИ НИЗКОВОЛЬТНОЙ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКЕ
И.С. Кузнецов
ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина»
Аннотация. В статье проведено исследование нагрева сборных электродов из быстрозакаленных лент аморфных и нанокристаллических сплавов при низковольтной электроискровой обработке. Данное исследование проводили на подложке, из стопи марки 65Г ГОСТ 14959. Поверхности образцов предварительно шлифовали до достижения Яа<0,32мкм. Для электроискровой обработки использовали модернизированную установку марки иЯ-121. Исследования нагрева электрода показали, что он, главным образом, зависит от конструкции сборного электрода, напряжения, времени и удельного времени обработки. Существенного влияния материала подложки на нагрев электрода зафиксировать не удалось. Нагрева электродов при неизменном напряжении в диапазоне температур 20...100 °С происходит линейно. Экспериментальные значения нагрева хорошо аппроксимируются прямой. Это говорит о том, что в указанном диапазоне температур и времени обработки при и0=сот^ нагрев электрода происходит преимущественно с одной скоростью, что позволило установить зависимость скорости нагрева от напряжения. Данные эмпирические зависимости нагрева и скорости нагрева электродов, могут быть использованы для разработки технологических процессов упрочнения деталей сборными электродами из быстрозакаленных лент марок 84КХСР, 5БДСР, 2НСР, 82Н7ХСР установкой марки иЯ-121.
Ключевые слова: электроискровая обработка, электрод, аморфный сплав, нанокристаллический сплав, нагрев, напряжение.
Введение. Среди способов, позволяющих повысить износостойкость рабочих поверхностей деталей машин, важное место занимают методы, позволяющие наносить упрочняющие покрытия с высокими физико-механическими свойствами. Одним из перспективных способов получения покрытий является электроискровая обработка (ЭИО) [1-26]. В результате низковольтной ЭИО на поверхности детали образуется слой с измененной структурой, толщиной 10...30 мкм [1]. К достоинствам этого способа относятся
незначительный нагрев деталей, отсутствие тепловых деформаций, низкая энергоемкость и простота осуществления технологических операций, возможность упрочнения поверхностей сложной формы [7].
Для повышения толщины и износостойкости электроискровых покрытий (ЭИП), рационально использовать в качестве электродных материалов аморфные и нанокристаллические сплавы [14-23]. Существует множество параметров влияющих на процесс нанесения электроискровых покрытий из аморфных и нанокристаллических сплавов. Основными технологическими параметрами низковольтной ЭИО являются: напряжение, сила тока, емкость конденсаторного блока, удельное время обработки, материал электрода. Помимо технологических режимов существует ряд промежуточных оценочных параметров, влияющих на процесс ЭИО и качество покрытий. Одним из таких параметров, является нагрев электрода. Это параметр влияет на массоперенос и на сплошность покрытий. Он зависит от технологических режимов и условий окружающей среды (охлаждения), материала и конструкции электрода [23]. В связи с этим можем утверждать, что исследование нагрева электродов является актуальной научной задачей.
Материалы и методы исследования.
Исследования нагрева электродов проводили на образцах, изготовленных из стали марки 65Г ГОСТ 14959. Поверхности образцов предварительно шлифовали до достижения Ка<0,32мкм (ГОСТ 2789, ГОСТ 27964). Для ЭИО использовали модернизированную установку марки ЦК-121 фирмы ООО «ПЭЛМ», имеющую емкость С=56 мкФ, частоту вибрации электрода /=100 Гц. Электрические параметры установки представлены в таблице 1 [23].
Таблица 1 - Электрические параметры установки ЦК-121
Параметр Номер режима
1 2 3 4 5
Ток I, А 6,5 11 12,5 15,5 17,5
Начальное напряжение и0, В 30 45 53 65 73
Энергия импульса тока Дж 0,025 0,056 0,08 0,118 0,16
Для нанесения ЭИП использовали электрод, выполненный из быстро закаленных лент, соответственно аморфных или нанокристаллических сплавов, представленный на рисунке 1 [6, 7]. В его состав входят пластины 1, полученные из лент быстрозакаленных сплавов, которые расположены в полой медной оправке 2 и
закреплены винтами 3 с вылетом $=0,1...0,8 мм. Оправка соединена с вибратором с помощью регулировочного винта. Между регулировочным винтом 4 и пластинами установлена медная шайба 5. Вкручиванием регулировочного винта в оправку обеспечивается необходимый вылет пластин.
Электрод работает следующим образом. В процессе ЭИО с пластин происходит перенос продуктов эрозии на упрочняемые рабочие поверхности деталей режущего аппарата. Продукты эрозии переносятся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Твердая фаза продуктов эрозии оседает на поверхности детали, сохраняя исходную структуру пластин. Жидкая фаза продуктов эрозии также оседает на упрочненной поверхности детали, которая работает как холодильник и отводит тепло от застывающего расплава. Охлаждение жидкой фазы происходит со скоростью >106 К/с, которая обеспечивается малой толщиной наносимого ЭИП 25.30 мкм и небольшой площадью отпечатка электрода. Высокая скорость застывания расплава обеспечивает условия для аморфизации жидкой фазы, и как следствие, получение аморфной и нанокристаллической структуры в ЭИП.
Рисунок 1 - Электрод для электроискровой обработки: 1 -пластина, 2 - оправка, 3 - винт, 4 - винт регулировочный, 5 - шайба
Нагрев электродов [6, 7] из сплавов марок 84КХСР, 2НСР, 82Н7ХСР и 5БДСР измеряли инфракрасным термометром ОрШ8 имеющим диапазон измерения -32...+420 °С и точность ±1% при температуре окружающей среды 21 °С. Исследования проводили при ЭИО на энергетических режимах, указанных в таблице 3.1, в течении 3-х мин при удельном времени обработки %Уд=1 мин/см2.
Результаты исследований.
Исследования нагрева электрода показали, что он, главным образом, зависит от конструкции сборного электрода, напряжения, времени и удельного времени обработки. Существенного влияния материала подложки на нагрев электрода зафиксировать не удалось.
Результаты исследований нагрева электродов представлены в виде зависимостей на рисунке 2 (а).
Из рисунка 2 можно констатировать, что нагрева электродов при неизменном напряжении в диапазоне температур 20...100 °С происходит линейно, а экспериментальные значения нагрева хорошо аппроксимируются прямой. Это говорит о том, что в указанном диапазоне температур и времени обработки при U0=const, нагрев электрода происходит преимущественно с одной скоростью, что позволяет выявить зависимость скорости нагрева от напряжения. На рисунке 2 б представлены значения скорости нагрева электрода, аппроксимируемые экспонентной кривой. Данная зависимость описывается уравнением регрессии, которое показано на рисунке 2 б. Зависимость скорости нагрева является универсальной для электрода разработанной сборной конструкции [6, 7]. Ею удобно пользоваться при определении зависимости массы, переносимого с анода на катод материала, от технологических параметров низковольтной ЭИО.
Вывод. Полученные эмпирические зависимости массопереноса, нагрева и скорости нагрева могут быть использованы для разработки технологических процессов упрочнения деталей сборными электродами [6, 7] из сплавов марок 84КХСР, 5БДСР, 2НСР, 82Н7ХСР установкой для ЭИО марки UR-121 c технологическими режимами Uо=0... 80 В, С=5 6мкФ, 1=12,5...17,5 A, f=100 Гц\
üt, по °с
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
°0 30 60 S0 120 150 1S0 210 240 270
г с
ооо - Экспериментальные значения -73 В ----65 В - - 53 В • ••• 45 В -ЗОВ
а
Ai /1,
т ) = 0,0 31 е;ф (0,038 U)- 0, 037
/
/
/
/ 7
Z1
°0 10 20 30 40 50 60 70 80
Д Д Экспериментальные значения -Апроксимирующая кривая
б
Рисунок 2 - Исследования нагрева электрода: а - зависимости нагрева от времени обработки; б - зависимость скорости нагрева от напряжения
Список использованных источников:
1. Kuznetsov I.S., Kolomeichenko A.V., Pavlov V.Z. Process of mass transfer of amorphous alloys under low-voltage electric spark treatment // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2017. T. 53. № 4. C. 333-338.
2. Логинов Н.Ю. Исследование трибологических характеристик образцов с покрытием, нанесенным электроискровым методом // Упрочняющие технологии и покрытия. 2017. Т. 13. № 2 (146). С. 67-70.
3. Агеева Е.В., Алтухов А.Ю., Новиков Е.П. Микроанализ электроискровых покрытий на основе электроэрозионных порошков // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. № 3 (72). С. 34-40.
4. Коротаев Д.Н., Иванова Е.В. Математическое моделирование структурно-энергетического состояния поверхности при электроискровом легировании // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2017. Т. 7. № 3 (24). С. 42-47.
5. Агеев Е.В., Алтухов А.Ю., Новиков А.Н., Новиков Е.П. Восстановление и упрочнение изношенных деталей автомобилей
вольфрамсодержащими нанокомпозиционными электроискровыми покрытиями // Курск. Изд-во Закрытое акционерное общество "Университетская книга". 2018. - 215. с.
6. Пат. 2416499 Российская Федерация, МПК В 23 Н 1/04, В 82 В 1/00. Электрод для электроискровой обработки / Кузнецов И.С., Хромов В.Н.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Орл. гос. аграр. ун-т». - № 2009138810/020 ; заявл. 20.10.2009 ; опубл. 20.04.2011, Бюл № 11. - 4с.
7. Коломейченко A.B., Кузнецов И.С. Получение износостойких электроискровых покрытий с нанокристаллической и аморфной структурой // В сборнике: НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ АГРАРНЫХ ВУЗОВ Каталог. МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса" (ФГБНУ "Росинформагротех"). Москва, 2013. С. 57-60.
8. Коломейченко A.B., Павлов В.З., Кузнецов И.С. О движении заряженных частиц между электродами при электроискровой обработке // Труды ГОСНИТИ. 2012. Т. 110. Ч. 2. С. 128-134.
9. Коломейченко A.B., Павлов В.З., Кузнецов И.С. Определение скорости дрейфа заряженных частиц между электродами при электроискровой обработке // Мир транспорта и технологических машин. 2012. № 2. С. 24-30.
10. Кузнецов И.С., Павлов В.З., Коломейченко A.B. Расчет размера искровых разрядов при электроискровой обработке деталей сельскохозяйственных машин // Russian Journal of Agricultural and Socio-Economic Sciences. 2012. T. 7. № 7. C. 13-15.
11. Коломейченко A.B., Павлов B.3., Кузнецов И.С. Оценка размера искровых разрядов между электродами при электроискровой обработке деталей // Труды ГОСНИТИ. 2013. Т. 112. № 1. С. 75-79.
12. Коломейченко A.B., Павлов В.З., Кузнецов И.С. Оценка мощности поверхностных тепловых источников, возникающих при электроискровой обработке деталей машин // Труды ГОСНИТИ. 2013. Т. 112. № 2. С. 143-149.
13. Коломейченко A.B., Кузнецов И. С. Структура электроискровых покрытий из аморфных и нанокристаллических сплавов // Труды ГОСНИТИ. 2014. Т. 115. С. 161-166.
14. Kolomeichenko A.V., Kuznetsov I.S. Tribotechnical properties the electrospark coating of amorphous and nanocrystalline alloys based on iron // Friction and wear. 2014. Vol. 35. No. 6. P. 501-504.
15. Павлов В.З., Коломейченко A.B., Кузнецов И.С. Оценочные показатели электроискровой обработки при упрочнении и восстановлении деталей: скорость дрейфа заряженных частиц // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 7. С. 52-54.
16. Коломейченко A.B., Кузнецов И.С., Кравченко И.Н. Исследования толщины и микротвердости электроискровых покрытий из аморфных и нанокристаллических сплавов // Сварочное производство. 2014. № 10. С. 36-39.
17. Коломейченко A.B., Кузнецов И.С. Определение рационального времени электроискровой обработки пальцев жаток зерноуборочных комбайнов электродом из аморфного сплава марки 84КХСР // Труды ГОСНИТИ. 2016. Т. 124. № 3. С. 35-39.
18. Хромов В.Н., Кузнецов И.С., Петрашов A.C. Электроискровая обработка поверхностей деталей как способ получения износостойких покрытий из объёмных наноструктурированных частиц // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. № 4. С. 23-26.
19. Коломейченко A.B., Кузнецов И.С. Результаты эксплуатационных испытаний деталей режущего аппарата зерноуборочных машин, упрочненных электроискровой обработкой электродом из аморфного сплава 84КХСР // Труды ГОСНИТИ. 2013. Т. 111. № 1. С. 91-95.
20. Хромов В.Н., Кузнецов И.С., Петрашов A.C. Электроискровая обработка поверхностей деталей для создания износостойких объёмных наноструктурированных покрытий на режущих деталях сельхозтехники // Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2009. Т. 16. № 1. С. 6-8.
21. Кузнецов И.С. Электроискровая обработка электродами из аморфных и нанокристаллических сплавов режущих деталей // Труды ГОСНИТИ. 2011. Т. 108. С. 230-233.
22. Кузнецов И.С., Прокошина Т.С. Повышение износостойкости пальцев жаток зерноуборочных машин // В сборнике: Энергосберегающие технологии и техника в сфере АПК Сборник материалов к Межрегиональной выставке-конференции. 2011. С. 192196.
23. Кузнецов И.С. Электроискровая технология упрочнения деталей режущего аппарата жаток электродами из аморфных и нанокристаллических сплавов: автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.20.03 / Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева. Саранск, 2013.
24. Кузнецов И.С., Прокошина Т.С. Анализ состояния изношенных пальцев жаток современных зерноуборочных комбайнов // Агротехника и энергообеспечение. 2017. Т. 2. № 14 (1). С. 5-11.
25. Кузнецов И. С. Расчетная оценка сопротивления искрового канала при электроискровой обработке // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 8 (140). С. 26-29.
26. Кузнецов И.С., Коломейченко A.B., Малинин В.Г. Восстановление посадочных мест под подшипники электроискровой обработкой // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2017. № 8. С. 20-22.
Кузнецов Иван Сергеевич, кандидат технических наук, доцент Ivan-654@yandex.ru. Россия, Орел, ФГБОУВО Орловский Государственный Аграрный Университет имени Н.В. Парахина
HEATING ELECTRODES WITH LOW VOLTAGE ELECTRIC SPARK TREATMENT
I.S. Kuznetsov
Abstract. The article deals with the investigation of heating of precast electrodes from rapidly quenched amorphous and nanocrystalline alloys for low-voltage electric spark treatment. This study was carried out on a substrate made of steel grade 65G GOST 14959. The surface of the samples was previously ground before reaching Ra<0.32 ^m. For the electric spark treatment, the upgraded UR-121 unit was used. Investigations of electrode heating showed that it mainly depends on the design of the assembly electrode, voltage, time and specific processing time. It was not possible to fix the essential influence of the substrate material on the heating of the electrode. Heating of electrodes with a constant voltage in the temperature range 20 ... 100 °C occurs linearly. The experimental values of heating are well approximated by a straight line. This indicates that in the indicated range of temperatures and processing time at U0 = const, the heating of the electrode occurs predominantly at a single rate, which made it possible to establish the dependence of the heating rate on the voltage. These empirical dependences of heating and heating rate of electrodes can be used for the development of technological processes of hardening of parts with prefabricated electrodes made of rapidly quenched tapes of brands 84KHSR, 5BDSR, 2NSR, 82N7XSR with the UR-121 brand.
Key words: electric spark treatment, electrode, amorphous alloy, nanocrystalline alloy, heat, voltage.
Kuznetsov Ivan Sergeevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Ivan-654@yandex.ru. Russia, Orel, FSBEI HE Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin
