CC BY
56
УДК 621.9.04.06
НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О СОСТОЯНИИ СОВРЕМЕННЫХ УПРОЧНЯЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ С АКЦЕНТОМ НА ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ
© 2017 В.Н. Гадалов1, И.В. Ворначева2, И.А. Макарова3
1докт. техн. наук, проф. каф. МТиО e-mail: gadalov-vn@yandex. ru 2 ассистент каф. электроснабжения e-mail: vornairina2008@yandex.ru 3 аспирант каф. МТиО e-mail: gadalov-vn@yandex. ru
Юго-Западный государственный университет
Представлены сведения о состоянии современных упрочняющих технологий, в частности с акцентом на электроискровое легирование (ЭИЛ). Предложен метод одновременной регистрации электрических, звуковых и температурных сигналов, сигналов систем позиционирования, охлаждения и контроля газовой среды, в результате чего было спроектировано устройство, система управления которого использует принципы адаптивного управления и нейросетевого моделирования, позволяющее стабилизировать протекание процесса ЭИЛ и управлять им.
Ключевые слова: электроискровое легирование, параметры среды, метод нейросетевого моделирования
В настоящее время в России и в ближнем зарубежье возрос интерес к ресурсосберегающим упрочняющим технологиям, позволяющим получить заданные триботехнические свойства инструмента и деталей машин (пар трения) из менее дорогостоящих металлов и сплавов. Этому предшествовало то, что большинство машиностроительных предприятий в производственной практике используют такие виды термической обработки, как закалка, отпуск, закалка ТВЧ и цементация. Другие же методы упрочнения, как борирование, ионно-плазменные технологии, лазерная обработка и электроискровые процессы (электроискровое легирование и электроакустическое напыление) и их комбинации, применяются крайне редко по причине жестких технологических режимов, даже если программа работ невелика. Однако на эти методы упрочнения следует обратить внимание [Гадалов и соавт. 2014; 2014а; 2016].
Применение лазерной технологии, благодаря высокой плотности энергии в луче лазера, позволяет осуществлять закалку поверхности с высокой, твердостью и износостойкостью. Перспективно применение цементации, азотирования, силицирования, борирования поверхностных слоев металлов и сплавов.
Высокой износостойкостью обладают диффузионные боридные слои [Гадалов и соавт. 2016]. Износостойкость изделий из борированной доэвтектоидной стали (30...45) в условиях трения скольжения выше в 4-6 раз износостойкости цементованных сталей. Износостойкость двухфазных слоев FeB, FeB2 выше износостойкости однофазных слоев FeB2 и в условиях абразивного износа находится на уровне хромированных сталей.
Ионно-плазменное напыление нитрида титана повышает стойкость различных типов металлообрабатывающего инструмента в 2-4 раза.
Перспективным направлением в области упрочнения поверхностей является электроискровое легирование (ЭИЛ) [Гадалов и соавт. 2016а; Коротаев и соавт. 2014; Николенко и соавт. 2010], которое относится к числу электрофизических методов, использующих концентрированные потоки энергии для получения покрытий на металлах и сплавах. Метод ЭИЛ основан на электроэрозионном разрушении обрабатывающего электрода (анода) и его переносе при импульсном искровом разряде на обрабатываемый электрод-деталь (катод) и представляет собой совокупность эрозионного, термического и термохимического процессов. После переноса на поверхности детали формируется покрытие с измененной структурой и свойствами. При использовании электродов из твердых сплавов типа ВК в матрице стали (например, Ст35) сохраняется исходный фазовый состав, а на поверхности формируется так называемый «белый слой». Рентгенографический анализ показал, что после ЭИЛ сталей сплавами на основе карбида вольфрама «белый слой» состоит из WC, образовавшегося в результате диссоциации W2C: тройного карбида Fe3W3C и небольшого количества аустенита. В зависимости от химсостава упрочняющих электродов возможно получение нитридов и карбидов легирующих элементов. Подслой представляет собой структуру мартенсита и троостита или сорбита.
Электроискровому упрочнению поддаются черные металлы и сплавы. В качестве упрочняющих электродов возможно применение любых токопроводящих материалов в зависимости от поставленной задачи и ожидаемых результатов. Широко применяются твердые сплавы, составляющими которых являются карбиды вольфрама и титана, феррохром, хром, хроммарганец, алюминий, белый чугун, графит и т.д. Метод не требует предварительного нагрева и последующей термообработки. Упрочняющий слой имеет высокую твердость и износостойкость (а при соответствующем подборе электродов - жаростойкость), не оказывает влияния на ударную вязкость, снижает сопротивление усталости в связи с положительными напряжениями в слое. К недостаткам метода можно отнести низкую производительность, шероховатость и несплошность (раковины, трещины, поры) покрытий, которые устраняются автоматизацией процесса, лазерным оплавлением, алмазным выглаживанием и оптимизацией режимов нанесения покрытий.
Основным недостатком метода является высокая чувствительность структуры покрытия к изменению параметров обработки: температуры, газового состава среды, силы прижатия анода к катоду, режима работы генератора и скорости относительного перемещения электродов относительно друг друга, которые возможно контролировать только в условиях автоматизации процесса.
Температура при ЭИЛ является главным параметром процесса, ее стабильностью определяются структура и свойства формируемого покрытия. Кроме того, нагрев электродов определяет количество окислов и степень обезуглероживания железоуглеродистых сплавов. При этом наиболее интенсивные изменения происходят в аноде, что обусловлено его меньшими размерами и, следовательно, более высокой температурой нагрева; контролируя температуру анода во время обработки и используя средства автоматизации, можно стабилизировать процесс, контролировать интенсивность образования окислов и обезуглероживания материала.
Газовый состав среды при ЭИЛ оказывает весомое влияние на процесс формирования покрытий и на их свойства, такие как массоперенос, толщина и структура слоя, наличие дефектов, окислов и других неметаллических включений. Экспериментально было установлено, что чем более инертна среда, тем больше материала анода переносится на катод, а кислород воздуха, из-за образуемых окислов, способствует разрушению получаемого слоя. Но, согласно последним исследованиям, полное исключение кислорода из зоны обработки нецелесообразно, так как это снижает
массоперенос. Для стабильного и качественного протекания процесса ЭИЛ необходим определенный (оптимальный) состав среды, который будет разным для различных материалов и условий обработки. Все это подтверждает тот факт, что состав среды является важным технологическим параметром протекания процесса ЭИЛ, а осуществление постоянного контроля над этим параметром возможно только при использовании адаптивной системы управления.
Другим важным параметром ЭИЛ является режим работы генератора импульсов и системы позиционирования. Режим работы подразумевает совокупность следующих параметров: частота следования импульсов, энергия единичного импульса, частота вибрации и др. Известно, что эрозия анода и привес катода зависят от числа импульсов, проходящих через искровой промежуток, и эта зависимость носит нелинейный характер. Значения силы тока и напряжения определяют энергию единичного импульса, а также суммарную энергию, относящуюся к единице площади обрабатываемой поверхности. С ростом числа импульсов, приходящихся на единицу площади за определенное время, массоперенос вначале растет, затем становится обратным, а после снова прямым. Скорость, с которой прямой массоперенос сменяется обратным, зависит от частоты следования импульсов; чем она выше, тем изменения происходят быстрее, но параллельно с этим увеличивается энергия, весомая часть которой идет на нагрев анода и катода. Температура анода в межэлектродном промежутке может доходить до (600...2000) °С.
Система позиционирования контролирует перемещение анода по трем или пяти координатам в зависимости от типа обрабатываемой детали. Влияние скорости перемещения анода очевидно, ведь чем быстрее двигается анод, тем меньше искровых разрядов приходится на единицу площади, но степень нагрева снижается при относительно медленной скорости, число импульсов на единицу растет, что, в свою очередь, может привести к перегреву детали и усилению процессов окисления и коррозии. Сила, с которой анод прижимается к катоду, влияет на количество рабочих импульсов: чем сила выше, тем рабочих импульсов больше, но при этом происходит увеличение температуры. Дальнейшее увеличение силы прижатия приводит к залипанию электродов, а следовательно, к снижению эффективности процесса ЭИЛ (см. рис. 1). Поэтому для определения оптимальной силы прижатия электрода необходимо применять методы адаптивного управления. Рассмотренные выше параметры прямо или косвенно влияют на эффективность ЭИЛ. А если реализовать систему управления данными параметрами, это позволит стабилизировать и автоматизировать процесс ЭИЛ. Ниже представлена модель устройства для ЭИЛ, система управления которого основывается на принципах адаптивного управления и нейронном моделировании и учитывает все особенности процесса, описанные выше.
За контроль температуры анода отвечает соответствующая система слежения и система охлаждения. Посредством термопар происходит контроль температуры анода в определенных точках. По этим точкам программный комплекс строит график распределения температуры по длине анода и в соответствии с этими данными контролирует его температуру посредством системы охлаждения.
Данное устройство позволяет контролировать газовый состав среды при ЭИЛ. Контроль осуществляется при помощи системы подачи газов, благодаря чему в изолированном от воздуха пространстве создается область избыточного давления с заданным составом среды.
Все системы данного устройства управляются специальным программным комплексом, использующим принципы нейронного моделирования, который постоянно следит за процессом и контролирует его в нужное время. Кроме того, данная система
постоянно самообучается и пополняет свою базу данных, тем самым сводя погрешность своей работы к минимуму.
Устройство для ЭИЛ: 1 - область с контролируемой газовой средой; 2 - микрофон; 3 - шунт; 4 -охлаждающая жидкость
Метод нейросетевого моделирования имитирует работу человеческого мозга и является прикладной областью математики, специализирующейся на проектировании искусственных нейронных сетей (НС).
В нейросетевом моделировании используется принцип параллельной обработки сигналов, который достигается путем объединения большого числа нейронов в так называемые слои и соединения определенным образом нейронов различных слоев, а также в некоторых конфигурациях и нейроноводного слоя между собой, причем обработка взаимодействия всех нейронов ведется послойно.
Совмещение адаптивной системы управления и принципов нейросетевого моделирования позволяет добиться стабильности протекания процесса ЭИЛ во времени, что является обязательным условием внедрения и широкого распространения технологии в производстве.
Библиографический список
Верхотуров А.Д., Иванов В.И., Коневцов Л.А. Электродное материаловедение -новый раздел в области электроэрозионной обработки // Труды ГОСНИТИ. 2012. Т. 108. С. 150-162.
Гадалов В.Н., Сафонов С.В., Романенко Д.Н. Материаловедение: учеб. М.: АРГАМАК-МЕДИА: ИНФРА-М. 2014. 272 с.
Гадалов В.Н., Серебровский В.И., Сальников В.Г. [и др.] Химико-термическая, электрофизическая обработка металлов, сплавов и гальванических покрытий. Курск, 2014а. 201 с.
Гадалов В.Н. Емельянов С.Г., Игнатенко Н.М., Ворначева И.В. [и др.] Электроискровое легирование поверхности сплавов на основе никеля и титана // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016. № 1 (18). С. 9-20.
Гадалов В.Н., Филонович А. В., Шкатов В.В. Описание процесса электроискрового легирования. Обощенная модель // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия техника и технология. 2016а. №4. С. 56-61.
Коротаев Д.М., Гадалов В.Н., Скрипкина Ю.В. [и др.]. Термодинамическая модель формирования электроискрового покрытия Материалы и упрочняющие технологии. Курск: ЮЗГУ, 2014. С. 129-133.
Николенко С.В., Кузьменко А.П., Тимаков Д.И. [и др.] Наноструктурирование поверхности стали при электроискровой обработке // Материалы и упрочняющие технологии. Курск: КГТУ, 2010. С. 23-38.
