CC BY
33
электрофизические и электрохимические методы обработки
УДК 621.9.047
Технологические возможности применения
струйного течения электролита
при электролитно-плазменном полировании
Л. А. Ушомирская, А. С. Герасимов
Составлена зависимость электролитно-плазменного полирования стали 12Х18Н10Тв струйном течении электролита наружной поверхности от основных факторов, влияющих на процесс: напряжения (и = 300 + 380 В), скорости течения электролита (V = 0,2 ^ 0,9 м/мин), концентрации раствора (с = 0,2 ^ 0,3 моль/л), времени обработки (3-6 мин). Спроектирована лабораторная установка для исследования основных влияющих факторов на процесс электролитно-плазменного полирования отверстий.
Ключевые слова: электролитно-плазменное полирование, электрод-инструмент, источник питания, электролит, щеточное устройство, шероховатость.
Применение электролитно-плазменного полирования (ЭПП) набирает все большую популярность, что объясняется простотой процесса с технологической точки зрения и высокой производительностью. Многие стали, предназначенные для полировки этим методом, уже изучены, но при обработке отверстий возникает целый ряд сложностей, которые необходимо решить. Обработку отверстий необходимо производить с помощью локализации зоны обработки, т. е. в струйном течении электролита.
Цель исследования — определение технологических возможностей применения струйного течения электролита при ЭПП сталей.
Технология электроимпульсного полирования металлов основана на использовании самопроизвольных импульсных разрядов, проходящих вдоль всей поверхности обрабатываемого изделия, погруженного в электролит, под действием постоянного напряжения положительной полярности [1].
Электролитом является водный раствор соли. Его состав, концентрацию, вид добавок выбирают в зависимости от типа обрабатываемого металла.
В период процесса под действием сходящихся на детали со всех сторон ванны линий тока электролит у поверхности изделия вскипает, образуя парогазовую оболочку, которая начинает отделять ее поверхность от электролита, прекращая ток. В этот момент все рабочее напряжение оказывается приложенным к тонкому слою парогазовой оболочки и вызывает движение газообразных ионов. Одновременно происходит конденсация пара на электролите, прилегающем к поверхности изделия, и толщина парогазовой оболочки уменьшается.
В определенный момент электролит в виде мостика касается выступа обрабатываемой поверхности, происходит бросок тока, электролитный мостик вскипает, в результате чего начинается воздействие на поверхность и изолирующие свойства парогазовой оболочки, восстанавливаются.
Описанные явления наблюдаются на всей поверхности погруженной в электролит детали, устраняя выступы и полируя поверхность металла. При этом чистота поверхности улучшается на три-четыре класса, мелкие выступы удаляются, а крупные сглаживаются, по-
МП^БМ^Ш
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
верхность изделия приобретает устойчивый металлический блеск, острые кромки притупляются, а заусенцы, имеющие толщину при основании менее 0,3 мм, расплавляются.
Удаляются также внедренный абразив и другие посторонние включения металла, что вместе с полированием поверхности и обнажением чистой структуры металла дает хорошую подготовку под последующее нанесение на поверхность изделий различных видов покрытий.
Электролит в рабочей ванне в процессе полирования должен иметь температуру порядка 80 °С. Это наиболее оптимальная температура, обеспечивающая качественное прохождение процесса полировки. Электролит разогревается встроенными в рабочую ванну ТЭНами.
Поскольку было принято решение для полировки отверстий использовать ЭПП в струйном течении, возникает необходимость в исследовании основных факторов, влияющих на процесс. Искомой функцией будет изменение шероховатости АИа.
Цель исследований — построить интерполяционную модель зависимости шероховатости поверхности от напряжения, концентрации электролита, скорости течения и времени обработки: АИа = Ки, с, V, т). При этом решаются следующие задачи:
• минимизация общего числа экспериментов;
• одновременное варьирование всеми переменными по определенным правилам;
• выбор четкой стратегии, которая обеспечит принятие обоснованного решения.
Исходные данные:
• материал заготовки — сталь аустенитно-го класса 12Х18Н10Т;
• состав электролита — раствор сернокислого натрия в воде (Ыа2804);
• и — напряжение, В;
• с — концентрация электролита, моль/л;
• V — скорость течения электролита, м/мин;
• т — время обработки, мин;
• Т — температура электролита — 85—90 °С;
• зазор между электродами 8 — 3—4 мм.
Схема ЭПП в струйном течении электролита представлена на рис. 1.
а)
А(4:1)
Рис. 1. Схема электролитно-плазменного полирования в струйном течении электролита: а — зона ЭПП в струе электролита;
1 — дроссель (медицинская система); 2 — электрод (анод-заготовка); б — генератор;
1 — автомат питания; 2 — кнопки управления; 3 — выпрямительные диоды; 4 — двигатель регулировки напряжения; 5 — силовой трансформатор; 6 — щеточная система; 7 — батарея конденсаторов; 8 — электрод (катод)
Условия проведения эксперимента
Электролит в зону обработки протекал под атмосферным давлением. При проведении экспериментов выдерживался зазор А между электродами в пределах 3-4 мм, температура находилась в пределах 85-90 °С. С помощью клемм соединялись электроды с источником питания.
Напряжение регулировалось на источнике питания. Скорость регулировалась посредством дросселя, которым служила медицинская система. Концетрация электролита варьировалась с помощью точной добавки соли к воде. Поскольку откликом в модели было изменение шероховатости, то ее измеряли про-филометром до и после обработки.
Было принято решение построить с четырьмя факторами варьирования квазилинейную модель, для нее использавали двухуровневый уровень варьирования. Модель вида N = 24. Поскольку неизвестно, насколько значим каждый из факторов, необходимо выполнять полный факторный эксперимент (табл. 1). Полученные данные приведены в табл. 2.
При регрессионном анализе модель была проверена на адекватность по критерию Фишера, полученная статистика Фишера составила 3,13. Табличное значение квантиля
План полного факторного эксперимента
Фишера — 246 [2]. Так как полученная статистика меньше табличного значения, гипотеза об адекватности не отвергается.
Поскольку напряжение как функция отклика осталось в окончательной модели и, судя по его коэффициенту, вкладывает наибольшую значимость в функцию отклика, полученную по табл. 1, рассмотрим три варианта зависимостей при максимальном напряжении (380 В) с остальными тремя факторами, принимающими максимальное значение: времени обработки — 6 мин, концентрации — 0,3 моль/л, скорости течения электролита — 0,9 м/мин.
В окончательном ненормированном виде модель примет вид
и - и0
П = 0,873 + 0,140 Аи 0 +
и - и0 Т - Т0
+ °,°66^ - °,°67 Аи АТ
- 0,035 ^ +
' АТ Аи
~ и - и0 Т - Т0 с - с0 +0,038 д " " д 0 + ' Аи АТ Ас
и - Щ Т - Тр с - ер и - ир Аи АТ Ас Аи
+0,036
(1)
Таблица 1
Номер Факторы Значения откликов Выборочное среднее
опыта Х1 (и, В) Х2 (т, мин) Х3 (с, моль/л) Х4 (и, м/мин) АВа1, мкм Айа2> мкм (А^аг)> мкм
1 0,473 0,5 0,49
2 1 0,610 0,590 0,60
3 1 0,692 0,697 0,69
4 1 1 0,9 0,68 0,79
5 1 0,718 0,8 0,76
6 1 1 0,8 0,725 0,76
7 1 1 0,9 1 0,95
8 1 1 1 0,840 0,8 0,82
9 1 0,985 0,98 0,98
10 1 1 1,14 1,15 1,15
11 1 1 1,1 0,9 1,00
12 1 1 1 1,2 1 1,10
13 1 1 1,05 0,85 0,95
14 1 1 1 0,9 0,64 0,77
15 1 1 1 0,969 0,969 0,97
16 1 1 1 1 1,135 1,227 1,18
мета™Б1^ОТК)1
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
Таблица 2
Измеренные данные
Яа до проведения эксперимента, мкм Шероховатость после проведения эксперимента, мкм Базовая длина, мм
Яа а1 а2
2,4 1,927 1,9 0,8
2,5 1,89 1,91 0,8
2 3 4 5
2,5 1,808 1,803 0,8
1,7 0,8 1,02 0,8
1,9 1,182 1,1 0,8
1,6 0,8 0,875 0,8
1,4 0,5 0,4 0,8
1,3 0,46 0,5 0,8
2,5 1,515 1,52 0,8
1,8 0,66 0,65 0,8
2,2 1,1 1,3 0,8
2,4 1,2 1,4 0,8
2,15 1,1 1,3 0,8
2,3 1,4 1,66 0,8
1,7 0,731 0,731 0,8
2,4 1,265 1,173 0,8
Зависимость изменения шероховатости ДЯа от скорости течения электролита и его концентрации представлена на рис. 2.
На рис. 2, б представлены изолинии, на которых выдерживается постоянство изменения шероховатости и с помощью которых можно определить режимы обработки для частно-
го случая. При увеличении концентрации от 0,2 до 0,3 моль/л и скорости от 0,2-0,9 м/мин увеличивается изменение шероховатости ДЯа от 0,8 до 1 мкм.
График зависимости шероховатости ДЯа от времени и скорости течения электролита представлен на рис. 3.
На рис. 3, б представлены изолинии изменения шероховатости, с помощью которых можно определить режимы для частного случая. При совместном увеличении времени от 3 до 6 мин и скорости течения электролита от 0,2 до 0,9 м/мин уменьшается изменение шероховатости ДЯа от 1,14 до 1,15 мкм.
График зависимости изменения шероховатости ДЯа от концентрации электролита и времени обработки представлен на рис. 4.
При парном увеличении концентрации электролита от 0,2 до 0,3 моль/л и времени от 3 до 6 мин изменение шероховатости ДЯа уменьшается от 1,1 до 0,6 мкм.
В целях использования этого метода при обработке внутренних поверхностей была спроектирована лабораторная установка (рис. 5) для проведения экспериментов и установления зависимости влияния основных факторов на полученную шероховатость.
Заготовку 1 закрепляют в трехкулачко-вом, самоцентрирующем патроне 4. На обод заготовки накидывают медную ленту 7, которая выполняет роль щеточного устройства. По полому электроду 2 поступет электролит.
б)
а)
■V 0>25
■V _(£5_
0,25 с, моль/л
Рис. 2. График зависимости изменения шероховатости при максимальном напряжении и = 380 В и максимальном времени Т = 6 мин: а — объемное изображение зависимости ДЯа; б — проекция функции ДЯа на плоскость V—с (скорость — концентрация)
V, м/мин
Рис. 3. График зависимости изменения шероховатости при максимальном напряжении и = 380 В и максимальной концентрации с = 0,3 моль/л: а — объемное изображение зависимости; б — проекция функции на плоскость т^ (время — скорость)
^ мин
Рис. 4. График зависимости изменения шероховатости при максимальном напряжении и = 380 В и максимальной скорости V = 0,9 м/мин: а — объемное изображение зависимости; б — проекция функции на плоскость с—т (концентрация — время)
С помощью пневмоцилидра 3 осуществляется линейное перемещение электрода по длине отверстия. С помощью зубчато-реечной передачи 1 осуществляется вспомогательное (установочное) перемещение. Зазор между электродами регулируется винтом 5.
Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что напряжение как фактор имеет наибольшую значимость в выбранном диапазоне варьирования. Для частного случая применения ЭПП при изменении шероховатости на 0,5 мкм рекомендуются следующие режимы:
• напряжение — 300 В;
• время полирования — 3 мин;
• концентрация электролита — 0,2 моль/л;
• скорость течения электролита — 0,2 м/мин. Диапазоны полученных шероховатостей
АЯа на всем интервале варьирования: от 0,49 до 1,18 мкм.
Выводы
1. Получена регрессионная модель зависимости изменения шероховатости от напряжения, времени, концентрации и скорости течения электролита.
2. Спроектирована лабораторная установка, обеспечивающая технологический про-
1 2
4 5
Рис. 5. Эскиз лабораторной установки для электролитно-плазменного полирования отверстий в струйном течении электролита:
1 — заготовка; 2 — электрод-инструмент; 3 — пневмоцилиндр; 4 — трехкулачковый самоцентрирующий патрон; 5 — подъемный винт; 6 — зубчато-реечная передача; 7 — медная лента
цесс электролитно-плазменного полирования отверстий заготовок.
3. Исходя из полученных данных следует, что максимально значимыми факторами являются напряжение и концентрация электролита в выбранных диапазонах варьирования. При одновременном увеличении всех факторов увеличивается изменение шероховатости АЯя от 0,49 до 1,18 мкм.
Литература
1. Веселовский А. П., Ушомирская Л. А. Интенсификация технологических процессов изготовления деталей машин при использовании различных видов энергии // Металлообработка. 2010. № 2. С. 46-49.
2. Математические методы обработки экспериментальных данных: учеб. пособие / В. Н. Востров, П. А. Кузнецов, С. Н. Кункин, Э. Е. Юргерсон. Санкт-Петербург, 2008. 153 с.
