CC BY
8УДК 621.9.047
РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ С ПОКРЫТИЯМИ ИЗ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ1
Х.М. РАХИМЯНОВ, доктор техн. наук, профессор, В.В. ЯНПОЛЬСКИЙ, канд. техн. наук, А.Н. МОИСЕЕНКО, магистрант (НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 1 ноября 2010 г.
Рахимянов Х.М. - 630092, Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20,
e-mail: tms-ngtu@mail.ru
Произведен расчет величины минимального общего припуска на механическую обработку покрытия из нанопорошкового материала ВК25 на основе решения технологической размерной цепи. Путем экспериментальных исследований доказана перспективность применения процесса электроалмазного шлифования для обработки деталей с покрытиями из нанопорошковых материалов, обладающих высокой твердостью, в условиях минимального припуска с обеспечением требуемых показателей качества поверхностного слоя и высокой производительности процесса формообразования.
Ключевые слова: покрытия, детонационное напыление, электроалмазное шлифование, шероховатость, размерная цепь, электрохимическое растворение.
Calculation of the minimum general allowance on machining of a coating nano powder material ВК25 on the basis of the decision of a technological dimensional chain is made. On the basis of experimental researches perspective of application of process of electro diamond grinding for processing of details with coverings from nano powder materials possessing high hardness, in the conditions of the minimum allowance, with maintenance of demanded indicators of quality of a blanket and high performance process of formation is proved.
Key words: coating, detonation spraying, electro diamond grinding, surface roughness, dimensional chain, electrochemical dissolution.
В различных отраслях машиностроения широко пенсации изношенной части детали значительное
используют разнообразные по форме, габаритным внимание уделяется вопросам повышения эксплу-
размерам и точности детали. Металлоемкие и высо- атационных свойств деталей машин за счет нане-
коточные детали, такие как коленчатые и распреде- сения на их поверхности износостойких покрытий
лительные валы грузовых автомобилей, работают в с высокими физико-механическими свойствами.
условиях высоких знакопеременных динамических В качестве материала износостойких покрытий
и тепловых нагрузок, а следовательно, подвержены применяют различные комбинации карбидов ти-
различным видам износа. Вследствие этого проис- тана и вольфрама, обладающих всеми необходи-
ходит изменение геометрических размеров, формы мыми качествами, которые предъявляются к по-
поверхности детали и качества поверхностного слоя крытиям данного класса. В последнее время для
(рис. 1, а). Действие всех этих факторов в конечном повышения твердости наносимого слоя использу-
итоге приводит к выходу из строя изделия, а в неко- ют порошки из карбидов вольфрама и титана, раз-
торых случаях и поломке дорогостоящей, металло- меры частиц которых не превышают нескольких
емкой детали (рис. 1, б). десятков нанометров. Благодаря применению в
Для исключения этого применяют различные качестве исходных материалов порошков данного
методы нанесения покрытий, одним из которых класса возможно нанесение покрытий, обладаю-
является детонационное напыление. В настоящее щих уникальными физико-механическими свой-
время помимо непосредственной размерной ком- ствами.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках выполнения аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (АВЦП 1.2.2/4066)
Рис. 1. Дефекты деталей, вызванные износом
а - изменение геометрических размеров; б - поломка детали
Несмотря на то что по сравнению с другими методами производительность процесса детонационного напыления достаточно велика, операции напыления требуют значительного основного времени. В силу этого, а также с учетом высокой стоимости используемых порошков основной задачей технолога становится сведение к минимуму величины наносимого покрытия из дорогостоящих материалов.
Однако в этом случае экономия, полученная за счет уменьшения расхода напыляемого материала, в какой-то степени может нивелироваться повышением трудоемкости процесса последующей обработки покрытия. Это связано с необходимостью выбора метода формообразования, обеспечивающего высокое качество поверхностного слоя детали и приемлемое значение производительности в условиях минимальной величины припуска. Для осуществления выбора метода окончательной механической обработки необходимо произвести размерный анализ технологического процесса изготовления детали с покрытием с целью определения минимальной величины припуска, срезание которого не повлияло бы на работоспособность детали.
Минимальную величину напыляемого покрытия при использовании детонационного метода можно определить по следующей формуле[1]:
НП шт = I + + РЗ + РЗ + 80 + ЛП
(1)
где f - минимальная достаточная толщина покрытия
после окончательной обработки; Z0шт - минимальный общий припуск на обработку покрытия; рз - исходное составляет
пространственное отклонение этой поверхности, возникающее в процессе получения покрытия; Е 0 - погрешность установки детали на операции окончательной размерной обработки покрытия; Дп - толщина переходного слоя между основным материалом детали и покрытием.
С целью определения величины минимального общего припуска на механическую обработку покрытия из нанопорошкового материала ВК25 (Z 0шт) при
однопроходной обработке была составлена технологическая размерная цепь (рис. 2). Решение размерной цепи осуществлялось при параметрах, выбор которых производился в соответствии с рекомендациями, приведенными в работах [1-3]: максимальный размер покрытия до обработки Н 0шах = 200 мкм, допуск на толщину покрытия до обработки ДН = 10 мкм, допуск на окончательный размер детали Д = 10 мкм, исходное пространственное отклонение расположения поверхности раздела основного материала детали с покрытием относительно базовых поверхностей Рз = 4 мкм, погрешность установки детали на операции окончательной размерной обработки покрытия 80 = 80 мкм, пространственное отклонение этой поверхности, воз-
—гг
никающее в процессе получения покрытия з = = 50 мкм, толщина переходного слоя ДП = 6 мкм. В результате решения технологической размерной цепи (рис. 2) было установлено, что минимальный припуск на последующую механическую обработку
= 87 мкм, а максимальное значение
пространственное отклонение расположения поверхности раздела основного материала детали с покрытием относительно базовых поверхностей; рЗ -
достигает Z 0шах = 110 мкм.
б
а
0 шт
Рис. 2. Технологическая размерная цепь для определения величины минимального общего припуска на механическую обработку покрытия из нанопорошкового материала ВК25
На рис. 2 приняты следующие обозначения: Н0тах - максимальный размер покрытия до обработки; Zmax - максимальный припуск на обработку; А - допуск на окончательный размер детали;
к .
минимальная толщина детали с покрытием
после обработки; АН- допуск на толщину покрытия до обработки; АП - толщина переходного слоя; А0 - толщина подложки; / - минимальная достаточная величина покрытия на эксплуатацию детали; Яа0 - шероховатость поверхности покрытия до обработки; Яа ок - окончательная шероховатость детали.
В результате решения технологической размерной цепи (рис. 2) было установлено, что минимальный припуск на последующую механическую обработку составляет г0т1п = 87 мкм, а максимальное значение достигает г0тах = 110 мкм.
Исходя из полученных величин припуска можно сделать вывод о том, что механическая обработка лезвийным инструментом поверхности детали с покрытием в условиях, когда припуск не превышает десятых долей миллиметра, связана с определенными сложностями, в частности возникновением значительных температур при деформации материала. Преобладание деформационных процессов над непосредственно над процессом резания связано с тем, что величина припуска сопоставима с радиусами кромки режущего инструмента. Повышение температуры может неблагоприятно сказываться на качестве обработанной поверхности, в частности, возможно образование дефектов в виде сетки микротрещин и прижогов, а в некоторых случаях и приводить к отслаиванию покрытия. Применение традиционных абразивных материалов также малоэффективно для шлифования покрытий из нанопорошковых материалов, так как имеет место быстрая потеря режущих свойств шлифовального круга вследствие износа абразивных зерен, что способствует увеличению сил резания, а следова-
тельно, и температуры в зоне обработки. Действие этих факторов не позволяет обеспечить высокое качество поверхностного слоя. Кроме того, износ шлифовального круга может приводить к снижению точности формообразования, что является критическим фактором при обработке покрытия, поскольку его толщина составляет десятые доли миллиметра.
Одним из возможных способов формообразования поверхности покрытия из высокопрочных материалов, таких как карбид вольфрама, в условиях минимальной величины припуска является электроалмазное шлифование (ЭАШ). Электроалмазное шлифование основано на совмещении электрохимического растворения обрабатываемого материала и его механическом резании зернами алмазного круга. За счет такого совмещения в зоне обработки наблюдается существенное снижение режущих сил, что гарантирует отсутствие высоких локальных температур и, как следствие, позволяет избежать образования на поверхности характерных для традиционных методов обработки дефектов. На основании этого можно сделать вывод, что размерная обработка покрытий из нанопорошковых материалов методом электроалмазного шлифования является наиболее перспективной среди существующих на сегодняшний день.
Однако для эффективного применения данного технологического метода при шлифовании указанного класса материалов требуется проведение ком -плексных исследований процесса обработки с целью установления взаимосвязей производительности процесса с режимами шлифования.
Проведение экспериментальных исследований по обработке деталей с покрытиям из нанопорошко-вых материалов осуществлялось на установке для электроалмазного шлифования, схема и принцип работы которой подробно рассмотрены в работе [4]. В качестве электролита использовался 10 %-й
водный раствор NaNO3. Напряжение технологического тока составляло U = 8 В. Ограничением повышения напряжения выше 8 В является возможность возникновения эрозионных процессов при электроалмазном шлифовании, что способствует снижению качества обработанной поверхности. Скорость главного движения равна 15... 17 м/с. Значение продольной подачи стола составляет 45 мм/мин. В качестве инструмента применялся алмазный круг на металлической связке АСВ 80/63 100 % М1. Обработка образцов с покрытиями выполнялась за один проход при глубине резания t = 100 мкм.
В результате экспериментов по ЭАШ покрытий на основе порошка ВК25 на обработанной поверхности не наблюдаются дефекты, появление которых характерно при использовании традиционных методов абразивной обработки. Оценка качества обработанной поверхности была произведена по параметру шероховатости. Определение шероховатости поверхности осуществлялось с помощью комплекса изучения топографии поверхности New View 7300. Значение шероховатости составило Ra =1,59 мкм (рис. 3).
Surface Profile
Е
00000
о>5 00000 г
Distance (mm)
Profile Stats
Рис. 3. Шероховатость поверхности образца с покрытием из нанопорошкового материала ВК25 после ЭАШ
В ряде случаев к рабочим поверхностям деталей с покрытиями, относящимся к классу износостойких, могут предъявляться более высокие требования к качеству, в частности к шероховатости поверхности. Вероятно, формирование полученного микрорельефа после электроалмазного шлифования связано с особенностями электрохимического растворения материала ВК25 в используемом электролите. Эти особенности обусловлены различным поведением материалов, входящих в сплав ВК25, карбидов вольфрама и кобальтовой связки, при электрохимической обработке. В частности наблюдается более интенсивное растворение кобальта в 10 %-м водном растворе NN63, из-за чего происходит обнажение зерен карбидов вольфрама [5], что приводит к их «выкрашиванию» в процессе резания алмазными зернами шлифовального круга. Снижение величины шероховатости поверхности после электроалмазного шлифования возможно за счет введения в технологический процесс дополнительного перехода, осуществляемого при отключенном источнике технологического тока. Однако для реализации технологического процесса по такой схеме необходимо произвести корректировку технологической размерной цепи с целью учета величины растворенного слоя. На рис. 4 представлена технологическая размерная цепь, составленная с учетом возможной величины растворения поверхности покрытия из нанопорошкового материала на основе ВК25 после процесса электроалмазного шлифования.
На рис. 4 приняты следующие обозначения: Н0тах - максимальный размер покрытия до обработки; - максимальный припуск на обработку; А - допуск на окончательный размер детали; Ит[п - минимальная толщина детали с покрытием после обработки; АН - допуск на толщину покрытия до обработки; Ап - толщина переходного слоя;
Рис. 4. Технологическая размерная цепь для определения величины минимального общего припуска на механическую обработку покрытия из нанопорошкового материала на основе ВК25 с учетом возможной величины растворения поверхности материала после процесса
электроалмазного шлифования
А0 - толщина подложки; / - минимальная достаточная величина покрытия на эксплуатацию детали; Яа0 - шероховатость поверхности покрытия до обработки; Яа0к - окончательная шероховатость детали; Х - величина растворения поверхности материала после процесса электроалмазного шлифования.
На основании решения технологической размерной цепи было установлено, что величина общего минимального припуска на операции электроалмазного шлифования деталей с покрытием из нанопо-рошкового материала на основе ВК25, включающей
в себя два перехода, составляет Z 0т1п = 98 мкм.
Таким образом, полученные экспериментальные результаты позволяют сделать вывод о том, что применение электроалмазного шлифования для обработки износостойких покрытий из нанопорошковых материалов на основе ВК25 позволяет вести формообразование в условиях минимально возможного припуска.
Список литературы
1. Борисов Ю.С. Газотермические покрытия из порошковых материалов. - Киев, 1987. - 546 с.
2. Ситников А.А. Технологическое обеспечение точности изготовления деталей с покрытиями. - Барнаул, 2004. - 198 с.
3. Федорова Н.П. Размерный анализ технологических процессов изготовления деталей: учеб. пособие / Н.П. Федорова, Ю.В. Федоров, А.А. Ситников // Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул, 2005. -148 с.
4. Янпольский В.В. Установка для оценки влияния гидродинамических факторов на анодное растворение стали Р6М5 в электролитах на водной основе: сб. тез. докладов междунар. науч.-техн. конф. «Современные технологические системы в машиностроении». - Барнаул, 2003. - 174-175 с.
5. Янюшкин А. С. Контактные процессы при электроалмазном шлифовании / А. С. Янюшкин, В. С. Шоркин. -М.: Машиностроение - 1, 2004. - 230 с.
