eng
Выпуск #4/2023
В. Е. Иноземцев, А. Ю. Попов
Аспекты обеспечения качественной поверхности при комплексных методах обработки алюминиевых сплавов и пористой металлокерамики
Аспекты обеспечения качественной поверхности при комплексных методах обработки алюминиевых сплавов и пористой металлокерамики
Просмотры: 486
DOI: 10.22184/2499-9407.2023.33.4.52.58
Изучены процессы формирования качественных показателей поверхностного слоя для деталей из алюминиевых сплавов и пористой металлокерамики, а также возможности контроля технологии обработки. Установлены основные критерии достижения требуемых параметров качественной поверхности в процессе комплексной технологии формообразования.
Изучены процессы формирования качественных показателей поверхностного слоя для деталей из алюминиевых сплавов и пористой металлокерамики, а также возможности контроля технологии обработки. Установлены основные критерии достижения требуемых параметров качественной поверхности в процессе комплексной технологии формообразования.
Теги: alloys cermets coolant porosity processing quality roughness shaping silumin surface. качество металлокерамика обработка поверхность пористость силумин сотс сплавы формообразование шероховатость
Аспекты обеспечения качественной поверхности при комплексных методах обработки алюминиевых сплавов и пористой металлокерамики
В. Е. Иноземцев, А. Ю. Попов
Изучены процессы формирования качественных показателей поверхностного слоя для деталей из алюминиевых сплавов и пористой металлокерамики, а также возможности контроля технологии обработки. Установлены основные критерии достижения требуемых параметров качественной поверхности в процессе комплексной технологии формообразования.
Введение
Современное машиностроение характеризуется динамичным развитием и совершенствованием уже используемых обрабатывающих технологий, а также более активным и широким применением в обработке новых композиционных материалов, включая функциональные материалы на основе железа и цветных металлов.
При этом технологии обработки материалов, обусловленные съемом припуска, всё также остаются востребованными, несмотря на существующее разнообразие технологических решений в области аддитивного формообразования. В ряде случаев детали, полученные аддитивными технологиями лазерного спекания и сплавления, также нуждаются в последующей финишной обработке, что вынуждает наряду с новыми технологическими решениями совершенствовать классические процессы формообразования поверхностей.
Параметры качества любой обрабатываемой поверхности во многом зависят от специфики условий обработки, а в функциональной зависимости от этих условий определяются эксплуатационные свойства обработанных деталей [1]. Отдельной задачей выступает необходимость достижения требуемого качества деталей из цветных металлов и их сплавов при их механообработке. Материалы данной группы, вследствие хорошей теплопроводности при механическом воздействии инструментом, очень быстро нагреваются (особенно тонкостенные детали малых размеров), и такие процессы формообразования с высокой степенью вероятности сопряжены с активным формированием нароста на режущей кромке лезвия инструмента, что, безусловно, способствует понижению эффективности обработки и нарушению закономерности расчетного удаления припуска. Кроме того, механообработка меди, алюминия и сплавов на их основе постоянно сопровождается изменением структуры приповерхностных слоев формируемой детали из-за силового воздействия сдвига и деформации. Изучение физических явлений при комплексном влиянии группы физических факторов формообразования на качество поверхности деталей позволяет установить закономерности и критерии эффективного сочетания разносторонних процессов, которые могли бы описывать характеристики поверхностного профиля, достигаемого комплексным формообразованием.
Исследование проблемы
Как показывает практика, очень часто лишь одной лезвийной обработки не хватает, чтобы сформировать качественную поверхность, отвечающую всем критериям. В связи с этим признана целесообразность применения комбинированного способа взаимодействия с формируемым профилем, когда доля припуска удаляется с заготовки безсиловым щадящим воздействием на обрабатываемую токопроводящую поверхность, максимально сохраняющим структурное строение материала и рационально потребляющим время процесса с точки зрения производительности. В основном, технология комплексного способа обработки заключается в сочетании одновременного взаимодействия с обрабатываемым материалом нескольких принципиально разных технологических факторов. В данном случае рассматривается влияние совмещаемых чистовой механообработки, электрического и химического способов взаимодействия.
Среди разнообразных типов комбинированного или совмещенного воздействия наиболее интересной с точки зрения соотношения производительности и рентабельности представляется размерная электрохимическая обработка металлов (анодно-механическая обработка). Данная технология обработки эффективна, как обладающая потенциалом электрохимического формирования поверхностного профиля в тот момент, когда режущая кромка инструмента уже сняла основной чистовой припуск, оставив десятки микрон для электронно-ионного обмена между электродами в электролите [2].
Технология была разработана в СССР в 1943 году инженером-электрохимиком В. Н. Гусевым, который работал над созданием технологий электрической обработки металлов. Обрабатываемое изделие (анод) и режущий инструмент (катод) подключаются к участку электрической цепи постоянного тока с низким напряжением (до 30 В), в которой протекают невысокие токи, функция электролита отводится водному раствору метасиликата натрия Na2SiO3 (силиката натрия или жидкого стекла), по мере необходимости добавляются и соли других кислот.
Обычно в качестве материалов для получения электродов-инструментов применяют цветные металлы (алюминий, медь), или сплавы на их основе, или малоуглеродистые конструкционные стали (типа 08кп, 08 или аналоги). Электрический ток за счет анодно-катодного воздействия начинает медленно растворять металлическую поверхность обрабатываемой заготовки. При этом процесс растворения происходит с формированием на поверхности заготовки устойчивой инертной не растворяющейся оксидной плёнки (так называемый процесс пассивации поверхности), включающей в состав побочные продукты растворения металлов обрабатываемой заготовки. На всем протяжении процесса обработки оксидная пленка требует постоянного разрушения с помощью либо лезвийного инструмента (при нескольких проходах), либо за счет увеличения напряжения (по мере необходимости).
В качестве катода-инструмента целесообразно применение перманентно передвигающегося одновременно с механическим инструментом металлического стержня или сопла, посредством которых подается электролит (выполняющий ещё и роль СОТС для лезвийного инструмента). Обрабатываемая деталь в данном случае всегда является анодом. Лезвийный инструмент предпочтительно не включать в состав электрической цепи и оставить его нейтральным во избежание его поляризации и изменения геометрических параметров режущей кромки. Интенсификация удаления окисных пассивационных пленок позволяет повысить производительность процесса обработки в связи с повышением скорости растворения металла заготовки в электролите под напряжением. Посредством давления кромки режущего инструмента на поверхность заготовки все окисные пленки активно разрушаются, что позволяет реализовать электрический потенциал цепи для эффективного процесса удаления оставшегося слоя припуска.
Необходимо отметить, что в случае комбинированного сочетания действия факторов интенсивность процесса растворения металла не находится в существенной зависимости от физико-механических свойств металла заготовки и электрода-инструмента (твердости, прочности, вязкости и других). Таким образом, технология анодно-механической обработки очень удобна для формообразования профиля деталей из твердых высоколегированных сталей, а также сплавов из тугоплавких металлов.
Технология финишной комбинированной или механоэлектрохимической обработки металлов с помощью электролитического, химического и предварительного механического (подготовительного) воздействия позволяет не только значительно повысить производительность технологического процесса формообразования, но и существенно сократить объемы отходов материала, а также способствует оптимизации расходов электроэнергии на производстве и сокращению себестоимости изготовления нового инструмента. Анодно-механическая технология формообразования очень эффективна при проведении операций по доводке профиля деталей и позволяет достичь высоких показателей качества поверхности. Данная технология уже хорошо зарекомендовала себя при заострении режущего инструмента, полученного из твердого сплава, а также показывает повышенную эффективность обработки труднообрабатываемых вязких и высокотвердых сплавов. Помимо этого, технология анодно-механической обработки поверхности металлов успешно реализуется при электрохимическом шлифовании [2].
С целью достижения минимальной шероховатости поверхности после обработки обычно рассматриваются различные комбинированные методы, каждый из которых имеет свои особенности и по-разному влияет на производительность, но все эти методы, безусловно, относятся к числу повышающих эффективность [3]:
Анодно-механическая технология. Полярность подключения электрической цепи во всех случаях носит одинаковый характер – заготовка является анодом, а инструмент является катодом. В качестве материала электрода-инструмента применяются стали с низким содержанием углерода. Металл заготовки таким методом обработки постепенно растворяется под действием выбранной полярности электротока и при достаточной концентрации носителей заряда в среде электролита.
Анодно-абразивная обработка. Катод в данном случае является абразивным инструментом, который образован наполнителем, абразивными зёрнами и их связкой. В целях улучшения электропроводности инструмента он также может содержать в наполнителе графит. При этом основа самого абразивного инструмента может быть медной или стальной. Анодно-абразивная обработка в основном проводилась с электролитами на основе гидроксидов натриевой и калиевой селитры с небольшим процентным содержанием веществ-ингибиторов коррозии. Межэлектродный зазор в процессе обработки заготовки у инструмента и обрабатываемой поверхности зависит от условий обработки и видов металлов обоих электродов.
Электроалмазная абразивная обработка. В качестве режущего инструмента применяется осевой инструмент – кольцевое сверло с алмазными режущими кромками. Процесс формирования в заготовке глухих отверстий реализуется канальными сверлами, а сверление сквозных отверстий осуществляется тонкостенными алмазными сверлами.
Анодное хонингование. Сам хонинговальный инструмент (хонинговальная головка) при таком методе обработки остаётся вне электрической цепи. Источником питания цепи принимается селеновый генератор низкого напряжения. Абразивные зерна при реализации технологии обработки способствуют формированию профиля поверхности, удаляя слой с окисными пленками, устраняя, таким образом, возможность формирования химически устойчивой пассивационной окисной плёнки, сохраняя стабильность протекания процесса обработки за счет сохранения режима массопереноса разрушаемого металла с заготовки.
Электрохонингование. Данная обработка является разновидностью электромеханической обработки с установкой заготовки на токосъемном кольце и изоляторе в среде электролита. Кинематика процесса соответствует кинематике традиционного процесса хонингования. Отличие технологии состоит в том, что хонинговальная головка оснащается не брусками из абразива, а деревянными брусками, изготовленными из липы или ольхи, также могут применяться и бруски из полимеров. Данная технология обеспечивает шероховатость поверхности Ra 0,04–0,16 мкм, а также почти в 5 раз повышает производительность технологического процесса.
Анодно-механическая обработка полированием. Процесс реализуется посредством полировальной головки, имеющей возможность кругового вращения. Электроды при этом соединяются через мелкодисперсную порошкообразную сферу. Бруски для инструмента выполняются из пластмассы. Водные растворы серной или соляной кислот выполняют роль электролита. В результате материал с поверхности заготовки снимается в прямой зависимости от эффективности воздействия суспензии и брусков на поверхность заготовки и удаления с нее окислов, образующихся при эффекте пассивации.
Алмазно-катодная технология формообразования. В данном процессе рассматривается обратное подключение электродов, следовательно, это процесс с обратной полярностью. Данная технология применяется в целях заострения кромок режущего инструмента. В процессе обработки анод постоянно растворяется и электрод-инструмент при этом не загрязняется [3].
Результаты проведённых экспериментов позволяют утверждать, что применение технологии анодно-механического формообразования для обработки алюминиевых сплавов (силумина) марок АЛ2, АЛ3 позволяет наблюдать формирование окислов, пассивирующих поверхность, что снижает эффективность обработки и заметно сказывается на формировании таким методом поверхности сплавов на основе алюминия [3]. В роли электролита при осуществлении обработки рассматривались растворы NaNO3 и NaCl на водной основе. При этом наибольшая эффективность обработки с точки зрения интенсивности съёма материала была отмечена при концентрации раствора NaCl порядка 25–30%. Применение сильно концентрированных растворов солей и кислот (свыше 30%) начинает отрицательно влиять на производительность из-за снижения текучести и способности электролита к массопереносу. Следовательно, низкая шероховатость при значительной концентрации раствора в электролитах не будет обеспечиваться в полной мере как целевой показатель.
Напряжение в цепи в процессе исследований выбиралось в диапазоне от 12 до 24 В. Это позволило прийти к выводам, что для рассматриваемых алюминиевых сплавов шероховатость менее Ra 0,5–0,58 мкм достижима в случае:
применения в качестве электролита водного раствора NaCl (30%);
скорости обработки 250 м / мин;
напряжении цепи 24 В.
Высокое содержание алюминия в обрабатываемых образцах (87%) позволяет ускорить процесс обработки за счёт более быстрого анодного растворения. Таким образом, формообразование проводилось с наибольшими из рекомендуемого диапазона скоростями, но достаточными для сохранения процесса электронно-ионного обмена и массопереноса материала с заготовки, а также без значительных центробежных сил, которые снижают эффективность подвода электролита в зону обработки.
Согласно модели формирования микропрофиля поверхности при анодно-механической обработке, базирующейся на модели А. Г. Суслова [4], удается сформулировать зависимость между результирующей шероховатостью Ra и рядом технологических факторов:
компоненты шероховатости, описывающей кинематику перемещения рабочей части инструмента, геометрические параметры его режущей части;
компоненты шероховатости профиля, основанной на колебаниях режущего инструмента относительно поверхности заготовки;
компоненты шероховатости профиля, обусловленной пластическими деформациями на участке контакта обрабатываемой поверхности и инструмента;
компоненты шероховатости профиля, обусловленной шероховатостью профиля применяемого режущего инструмента и компонентой шероховатости профиля, характеризующей процессы анодного растворения в процессе формообразования профиля.
Таким образом, с помощью модели шероховатости формируемой поверхности для лезвийной анодно-механической обработки была сформулирована прямо пропорциональная связь шероховатости поверхности после обработки с концентрацией среды, применяемой в качестве электролита, напряжением в цепи и обратно пропорциональная связь со скоростью обработки.
Немаловажна роль и колебания температурного поля в зоне обработки, зависящего от длительности процесса формообразования, связанного со значением пути, преодолеваемым режущей кромкой инструмента. Градиент температурного поля возрастает при увеличении сил резания и длительности пути режущей кромки инструмента в процессе формообразования профиля. Очевидно, что высокоскоростное формирование профиля поверхности большей длины способствует увеличению количества выделяемого тепла и роста температуры режущей кромки. Всё это способствует увеличению глубины резания и изменению баланса сил, что приводит к увеличению шероховатости поверхности. Также очевидно, что больший градиент температурного поля в области резания и тепловое расширение контактирующих поверхностей будут всегда отрицательно сказываться на точности обработки и качестве формируемой поверхности независимо от выбранного типа контактной обработки. Следовательно, здесь содержится дополнительная компонента, характеризующая зависимость формируемого качества от величины изменения температурных полей. Исследования формирования поверхности на образцах алюминиевого сплава АЛ2 включали также и гальваническую обработку, результаты которой впоследствии сравнивали с результатами механоэлектрохимической обработки (рис. 1 и 2).
Предварительно обе поверхности заготовок из силумина АЛ2 были сформированы посредством чистового фрезерования в одинаковых условиях. Далее один образец прошел гальванический метод формообразования с 10‑минутным травлением в водном растворе Al₂(SO₄)₃ при силе тока 0,4 A, напряжении цепи 10 В, а другой образец подвергался механоэлектрохимической обработке при силе тока 0,6 A, напряжении цепи 18 В, скорости резания около 350 м / мин, глубине резания 0,5 мм, в качестве электролита рассматривался водный раствор Al₂(SO₄)₃. В результате гальванического процесса формообразования была достигнута шероховатость образца Ra 0,07 мкм, а механоэлектрохимическая обработка соответствовала результату шероховатости Ra 0,05 мкм.
Варьирование точками токоподвода к электроду-инструменту также позволило определить наиболее близкий к оптимальному вариант формирования электрической цепи. В процессе постановки экспериментов рассматривались три варианта контура цепи:
согласно схеме 1 функцию катода выполнял непосредственно сам режущий инструмент;
согласно схеме 2 роль электрода-катода выполнял металлический наконечник сопла системы подачи электролита;
согласно схеме 3 катодом служили два медных стержня, подведенных к поверхности заготовки (анода) с межэлектродным промежутком 0,1 мм.
В каждом варианте схемы заготовка сохраняла положение анода с подключением к цепи через динамическое токосъемное устройство.
В итоге можно отметить, что при механоэлектрохимической обработке силумина АЛ2 максимальное снижение шероховатости профиля соответствует реализации варианта схемы 3, когда сам режущий инструмент не участвует в электрической цепи, а рабочая часть катода представлена двумя разнесенными друг от друга стержнями, пространственно располагающимися над и под режущим инструментом позади его режущей кромки (со стороны вспомогательной режущей кромки) и имеющими минимальный межэлектродный зазор с заготовкой. Применение данной схемы позволяет получить наименьшую шероховатость обработанной поверхности Ra 0,05 мм при совмещении трех типов воздействия на обрабатываемую поверхность, когда механическое воздействие выходит вперед и снимает наибольшую или основную часть припуска (расчетно до 0,5 мм глубиной), а электрохимическая обработка уже формирует окончательную поверхность, снимая микрослой формируемого профиля. Сравнительные характеристики, основанные на статистических данных по трем схемам механоэлектрохимической обработки и механической, представлены на рис. 3–5.
Заготовки для деталей из металлокерамических пористых материалов на основе меди и железа формируются технологическими методами порошковой металлургии посредством укладки и прессования металлических порошков совместно с разрыхлителями (карбонат аммония, парафин, хлорид натрия, хлорид меди (II), раствор поливинилового спирта и другие), позволяющими получить пористую структуру [5], и их последующим спеканием.
Механическая обработка металлокерамики способствует понижению поверхностной пористости вследствие закупоривания пор под действием лезвийного инструмента, что сокращает поверхностную пористость практически в два раза по сравнению с ее естественным значением. Для выяснения возможностей сохранения пористости или снижения эффекта закупоривания пор необходимо уточнение условий проведения обработки и сопутствующих режимов.
Уровень пористости при механообработке зависит от особенностей материалов заготовки и обрабатывающего инструмента, применения СОТС, выбранной скорости, величины припуска, подачи и, соответственно, геометрии режущей части инструмента [6]. Для резания пористых антифрикционных бронзографитов, железографитов, обладающих уровнем пористости до 25%, как показывает практика, рекомендуется выбирать более высокие скорости обработки (до 150 м / мин), режущий инструмент из твердого сплава с износостойким покрытием, имеющий наименьший радиус вершины (до 0,2 мм) и минимальное округление кромки лезвия. Диапазон главных переднего и заднего углов рекомендуется выбирать соответственно в рамках 4–5° и 7–8°, желательно, чтобы подача не превышала 0,05 мм / оборот.
Абразивная обработка практически полностью закрывает поры. Обработка металлокерамики алмазной режущей кромкой, минералокерамикой, твердым сплавом и другими инструментальными материалами не позволяет получить приемлемое значение пористости – наблюдается существенный рост шероховатости, но он обусловлен не вскрытием пор, а лишь микрорельефом поверхности.
Применение электролита, имеющего достаточную концентрацию анионов и содержащего соответствующие материалу заготовки химические элементы, а также обеспечивающего достаточную степень диссоциации с материалами электродов, позволяет снизить закупоривание пор при формообразовании до уровня пористости 23,14%. Результат, позволяющий практически сократить потерю пористости, может быть обеспечен при скорости резания металлокерамики 141 м/мин. Как наиболее подходящие в качестве электролита с точки зрения эффективности, производительности и безопасности, были выбраны водные 30%-ные растворы сульфата меди и сульфата железа.
Выводы
Финишная механоэлектрохимическая обработка алюминиевых сплавов АЛ2 и АЛ3 эффективна при скорости около 250 м / мин. Снижение скорости обработки алюминиевых сплавов сокращает изнашивание кромки почти в 3 раза. В отличие от лезвийной обработки, механоэлектрохимическая снижает шероховатость Ra с 1,3 до 0,6 мкм. Рабочее напряжение электрической цепи выбрано не превышающим 24 В. В роли электролита рассмотрен 25–30%-ный водный раствор NaCl, как наиболее безопасный, обладающий достаточной электропроводностью и имеющий низкую себестоимость.
Чистовое формообразование профиля пористой металлокерамики с помощью механоэлектрохимической обработки показало эффективность на скоростях резания до 141 м / мин. В отличие от лезвийной обработки, механоэлектрохимическая снижает шероховатость Ra до 0,43 мкм. Рабочее напряжение электрической цепи выбрано не превышающим 28 В. В роли электролита рассмотрен 30%-ный водный раствор CuSO4 для металлокерамики на основе меди и FeSO4 для железографита.
Технология чистового формирования профиля деталей из металлокерамики и алюминиевых сплавов с применением электрохимикомеханического комбинированного воздействия при правильно выбранных условиях может быть эффективна. Такие способы обработки содержат достаточно разнообразное количество входящих факторов, за счет разного сочетания которых удобно управлять качеством. Комплексные технологические приемы формирования микропрофиля оправдывают себя экономически при обработке конструкционных сталей, жаропрочных сплавов и многих других видов токопроводящих материалов, а также целесообразна реализация таких методов в технологических процессах на финишных операциях с мягкими металлами и объемно-пористыми структурированными материалами, повышая производительность производства.
Литература
Inozemtsev V. E., Kulikov M.Yu., Inozemtsev V. E., Myo Naing Oo. Technological method for the finishing process of fusible alloy Precision Machining // VII. Selected, peer reviewed papers from the 7th International Congress of Precision Machining (ICPM 2013), October 3–5, 2013, Miskolc, Hungary. pp. 224–228.
Гусев В. Н. Анодномеханическая обработка металлов, М.-Л., 1952. 38 с.
Подураев В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов // М.: Высшая школа, 1974. 494 с.
Суслов А. Г. Качество поверхности слоя деталей машин // М.: Машиностроение, 2000. 320 с.
Степанчук А. Н., Билык И. И., Бойко П. А. Технология порошковой металлургии // К.: Выш. школа. Головное изд-во, 1989. 415 с.
Куликов М. Ю., Иноземцев В. Е., Мо Наинг У. Способ улучшения качества поверхностного слоя с помощью комбинированной механо-электрохимической обработки. Сборник научных трудов «Високi тенологii в машинобудуваннi» Харьковский политехнический институт. № 1 2012. С. 168–170.
Авторы
Иноземцев Виталий Евгеньевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ФГАОУ ВО Российского университета транспорта, научный сотрудник ИКТИ РАН
Попов Алексей Юрьевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ФГАОУ ВО Российского университета транспорта
В. Е. Иноземцев, А. Ю. Попов
Изучены процессы формирования качественных показателей поверхностного слоя для деталей из алюминиевых сплавов и пористой металлокерамики, а также возможности контроля технологии обработки. Установлены основные критерии достижения требуемых параметров качественной поверхности в процессе комплексной технологии формообразования.
Введение
Современное машиностроение характеризуется динамичным развитием и совершенствованием уже используемых обрабатывающих технологий, а также более активным и широким применением в обработке новых композиционных материалов, включая функциональные материалы на основе железа и цветных металлов.
При этом технологии обработки материалов, обусловленные съемом припуска, всё также остаются востребованными, несмотря на существующее разнообразие технологических решений в области аддитивного формообразования. В ряде случаев детали, полученные аддитивными технологиями лазерного спекания и сплавления, также нуждаются в последующей финишной обработке, что вынуждает наряду с новыми технологическими решениями совершенствовать классические процессы формообразования поверхностей.
Параметры качества любой обрабатываемой поверхности во многом зависят от специфики условий обработки, а в функциональной зависимости от этих условий определяются эксплуатационные свойства обработанных деталей [1]. Отдельной задачей выступает необходимость достижения требуемого качества деталей из цветных металлов и их сплавов при их механообработке. Материалы данной группы, вследствие хорошей теплопроводности при механическом воздействии инструментом, очень быстро нагреваются (особенно тонкостенные детали малых размеров), и такие процессы формообразования с высокой степенью вероятности сопряжены с активным формированием нароста на режущей кромке лезвия инструмента, что, безусловно, способствует понижению эффективности обработки и нарушению закономерности расчетного удаления припуска. Кроме того, механообработка меди, алюминия и сплавов на их основе постоянно сопровождается изменением структуры приповерхностных слоев формируемой детали из-за силового воздействия сдвига и деформации. Изучение физических явлений при комплексном влиянии группы физических факторов формообразования на качество поверхности деталей позволяет установить закономерности и критерии эффективного сочетания разносторонних процессов, которые могли бы описывать характеристики поверхностного профиля, достигаемого комплексным формообразованием.
Исследование проблемы
Как показывает практика, очень часто лишь одной лезвийной обработки не хватает, чтобы сформировать качественную поверхность, отвечающую всем критериям. В связи с этим признана целесообразность применения комбинированного способа взаимодействия с формируемым профилем, когда доля припуска удаляется с заготовки безсиловым щадящим воздействием на обрабатываемую токопроводящую поверхность, максимально сохраняющим структурное строение материала и рационально потребляющим время процесса с точки зрения производительности. В основном, технология комплексного способа обработки заключается в сочетании одновременного взаимодействия с обрабатываемым материалом нескольких принципиально разных технологических факторов. В данном случае рассматривается влияние совмещаемых чистовой механообработки, электрического и химического способов взаимодействия.
Среди разнообразных типов комбинированного или совмещенного воздействия наиболее интересной с точки зрения соотношения производительности и рентабельности представляется размерная электрохимическая обработка металлов (анодно-механическая обработка). Данная технология обработки эффективна, как обладающая потенциалом электрохимического формирования поверхностного профиля в тот момент, когда режущая кромка инструмента уже сняла основной чистовой припуск, оставив десятки микрон для электронно-ионного обмена между электродами в электролите [2].
Технология была разработана в СССР в 1943 году инженером-электрохимиком В. Н. Гусевым, который работал над созданием технологий электрической обработки металлов. Обрабатываемое изделие (анод) и режущий инструмент (катод) подключаются к участку электрической цепи постоянного тока с низким напряжением (до 30 В), в которой протекают невысокие токи, функция электролита отводится водному раствору метасиликата натрия Na2SiO3 (силиката натрия или жидкого стекла), по мере необходимости добавляются и соли других кислот.
Обычно в качестве материалов для получения электродов-инструментов применяют цветные металлы (алюминий, медь), или сплавы на их основе, или малоуглеродистые конструкционные стали (типа 08кп, 08 или аналоги). Электрический ток за счет анодно-катодного воздействия начинает медленно растворять металлическую поверхность обрабатываемой заготовки. При этом процесс растворения происходит с формированием на поверхности заготовки устойчивой инертной не растворяющейся оксидной плёнки (так называемый процесс пассивации поверхности), включающей в состав побочные продукты растворения металлов обрабатываемой заготовки. На всем протяжении процесса обработки оксидная пленка требует постоянного разрушения с помощью либо лезвийного инструмента (при нескольких проходах), либо за счет увеличения напряжения (по мере необходимости).
В качестве катода-инструмента целесообразно применение перманентно передвигающегося одновременно с механическим инструментом металлического стержня или сопла, посредством которых подается электролит (выполняющий ещё и роль СОТС для лезвийного инструмента). Обрабатываемая деталь в данном случае всегда является анодом. Лезвийный инструмент предпочтительно не включать в состав электрической цепи и оставить его нейтральным во избежание его поляризации и изменения геометрических параметров режущей кромки. Интенсификация удаления окисных пассивационных пленок позволяет повысить производительность процесса обработки в связи с повышением скорости растворения металла заготовки в электролите под напряжением. Посредством давления кромки режущего инструмента на поверхность заготовки все окисные пленки активно разрушаются, что позволяет реализовать электрический потенциал цепи для эффективного процесса удаления оставшегося слоя припуска.
Необходимо отметить, что в случае комбинированного сочетания действия факторов интенсивность процесса растворения металла не находится в существенной зависимости от физико-механических свойств металла заготовки и электрода-инструмента (твердости, прочности, вязкости и других). Таким образом, технология анодно-механической обработки очень удобна для формообразования профиля деталей из твердых высоколегированных сталей, а также сплавов из тугоплавких металлов.
Технология финишной комбинированной или механоэлектрохимической обработки металлов с помощью электролитического, химического и предварительного механического (подготовительного) воздействия позволяет не только значительно повысить производительность технологического процесса формообразования, но и существенно сократить объемы отходов материала, а также способствует оптимизации расходов электроэнергии на производстве и сокращению себестоимости изготовления нового инструмента. Анодно-механическая технология формообразования очень эффективна при проведении операций по доводке профиля деталей и позволяет достичь высоких показателей качества поверхности. Данная технология уже хорошо зарекомендовала себя при заострении режущего инструмента, полученного из твердого сплава, а также показывает повышенную эффективность обработки труднообрабатываемых вязких и высокотвердых сплавов. Помимо этого, технология анодно-механической обработки поверхности металлов успешно реализуется при электрохимическом шлифовании [2].
С целью достижения минимальной шероховатости поверхности после обработки обычно рассматриваются различные комбинированные методы, каждый из которых имеет свои особенности и по-разному влияет на производительность, но все эти методы, безусловно, относятся к числу повышающих эффективность [3]:
Анодно-механическая технология. Полярность подключения электрической цепи во всех случаях носит одинаковый характер – заготовка является анодом, а инструмент является катодом. В качестве материала электрода-инструмента применяются стали с низким содержанием углерода. Металл заготовки таким методом обработки постепенно растворяется под действием выбранной полярности электротока и при достаточной концентрации носителей заряда в среде электролита.
Анодно-абразивная обработка. Катод в данном случае является абразивным инструментом, который образован наполнителем, абразивными зёрнами и их связкой. В целях улучшения электропроводности инструмента он также может содержать в наполнителе графит. При этом основа самого абразивного инструмента может быть медной или стальной. Анодно-абразивная обработка в основном проводилась с электролитами на основе гидроксидов натриевой и калиевой селитры с небольшим процентным содержанием веществ-ингибиторов коррозии. Межэлектродный зазор в процессе обработки заготовки у инструмента и обрабатываемой поверхности зависит от условий обработки и видов металлов обоих электродов.
Электроалмазная абразивная обработка. В качестве режущего инструмента применяется осевой инструмент – кольцевое сверло с алмазными режущими кромками. Процесс формирования в заготовке глухих отверстий реализуется канальными сверлами, а сверление сквозных отверстий осуществляется тонкостенными алмазными сверлами.
Анодное хонингование. Сам хонинговальный инструмент (хонинговальная головка) при таком методе обработки остаётся вне электрической цепи. Источником питания цепи принимается селеновый генератор низкого напряжения. Абразивные зерна при реализации технологии обработки способствуют формированию профиля поверхности, удаляя слой с окисными пленками, устраняя, таким образом, возможность формирования химически устойчивой пассивационной окисной плёнки, сохраняя стабильность протекания процесса обработки за счет сохранения режима массопереноса разрушаемого металла с заготовки.
Электрохонингование. Данная обработка является разновидностью электромеханической обработки с установкой заготовки на токосъемном кольце и изоляторе в среде электролита. Кинематика процесса соответствует кинематике традиционного процесса хонингования. Отличие технологии состоит в том, что хонинговальная головка оснащается не брусками из абразива, а деревянными брусками, изготовленными из липы или ольхи, также могут применяться и бруски из полимеров. Данная технология обеспечивает шероховатость поверхности Ra 0,04–0,16 мкм, а также почти в 5 раз повышает производительность технологического процесса.
Анодно-механическая обработка полированием. Процесс реализуется посредством полировальной головки, имеющей возможность кругового вращения. Электроды при этом соединяются через мелкодисперсную порошкообразную сферу. Бруски для инструмента выполняются из пластмассы. Водные растворы серной или соляной кислот выполняют роль электролита. В результате материал с поверхности заготовки снимается в прямой зависимости от эффективности воздействия суспензии и брусков на поверхность заготовки и удаления с нее окислов, образующихся при эффекте пассивации.
Алмазно-катодная технология формообразования. В данном процессе рассматривается обратное подключение электродов, следовательно, это процесс с обратной полярностью. Данная технология применяется в целях заострения кромок режущего инструмента. В процессе обработки анод постоянно растворяется и электрод-инструмент при этом не загрязняется [3].
Результаты проведённых экспериментов позволяют утверждать, что применение технологии анодно-механического формообразования для обработки алюминиевых сплавов (силумина) марок АЛ2, АЛ3 позволяет наблюдать формирование окислов, пассивирующих поверхность, что снижает эффективность обработки и заметно сказывается на формировании таким методом поверхности сплавов на основе алюминия [3]. В роли электролита при осуществлении обработки рассматривались растворы NaNO3 и NaCl на водной основе. При этом наибольшая эффективность обработки с точки зрения интенсивности съёма материала была отмечена при концентрации раствора NaCl порядка 25–30%. Применение сильно концентрированных растворов солей и кислот (свыше 30%) начинает отрицательно влиять на производительность из-за снижения текучести и способности электролита к массопереносу. Следовательно, низкая шероховатость при значительной концентрации раствора в электролитах не будет обеспечиваться в полной мере как целевой показатель.
Напряжение в цепи в процессе исследований выбиралось в диапазоне от 12 до 24 В. Это позволило прийти к выводам, что для рассматриваемых алюминиевых сплавов шероховатость менее Ra 0,5–0,58 мкм достижима в случае:
применения в качестве электролита водного раствора NaCl (30%);
скорости обработки 250 м / мин;
напряжении цепи 24 В.
Высокое содержание алюминия в обрабатываемых образцах (87%) позволяет ускорить процесс обработки за счёт более быстрого анодного растворения. Таким образом, формообразование проводилось с наибольшими из рекомендуемого диапазона скоростями, но достаточными для сохранения процесса электронно-ионного обмена и массопереноса материала с заготовки, а также без значительных центробежных сил, которые снижают эффективность подвода электролита в зону обработки.
Согласно модели формирования микропрофиля поверхности при анодно-механической обработке, базирующейся на модели А. Г. Суслова [4], удается сформулировать зависимость между результирующей шероховатостью Ra и рядом технологических факторов:
компоненты шероховатости, описывающей кинематику перемещения рабочей части инструмента, геометрические параметры его режущей части;
компоненты шероховатости профиля, основанной на колебаниях режущего инструмента относительно поверхности заготовки;
компоненты шероховатости профиля, обусловленной пластическими деформациями на участке контакта обрабатываемой поверхности и инструмента;
компоненты шероховатости профиля, обусловленной шероховатостью профиля применяемого режущего инструмента и компонентой шероховатости профиля, характеризующей процессы анодного растворения в процессе формообразования профиля.
Таким образом, с помощью модели шероховатости формируемой поверхности для лезвийной анодно-механической обработки была сформулирована прямо пропорциональная связь шероховатости поверхности после обработки с концентрацией среды, применяемой в качестве электролита, напряжением в цепи и обратно пропорциональная связь со скоростью обработки.
Немаловажна роль и колебания температурного поля в зоне обработки, зависящего от длительности процесса формообразования, связанного со значением пути, преодолеваемым режущей кромкой инструмента. Градиент температурного поля возрастает при увеличении сил резания и длительности пути режущей кромки инструмента в процессе формообразования профиля. Очевидно, что высокоскоростное формирование профиля поверхности большей длины способствует увеличению количества выделяемого тепла и роста температуры режущей кромки. Всё это способствует увеличению глубины резания и изменению баланса сил, что приводит к увеличению шероховатости поверхности. Также очевидно, что больший градиент температурного поля в области резания и тепловое расширение контактирующих поверхностей будут всегда отрицательно сказываться на точности обработки и качестве формируемой поверхности независимо от выбранного типа контактной обработки. Следовательно, здесь содержится дополнительная компонента, характеризующая зависимость формируемого качества от величины изменения температурных полей. Исследования формирования поверхности на образцах алюминиевого сплава АЛ2 включали также и гальваническую обработку, результаты которой впоследствии сравнивали с результатами механоэлектрохимической обработки (рис. 1 и 2).
Предварительно обе поверхности заготовок из силумина АЛ2 были сформированы посредством чистового фрезерования в одинаковых условиях. Далее один образец прошел гальванический метод формообразования с 10‑минутным травлением в водном растворе Al₂(SO₄)₃ при силе тока 0,4 A, напряжении цепи 10 В, а другой образец подвергался механоэлектрохимической обработке при силе тока 0,6 A, напряжении цепи 18 В, скорости резания около 350 м / мин, глубине резания 0,5 мм, в качестве электролита рассматривался водный раствор Al₂(SO₄)₃. В результате гальванического процесса формообразования была достигнута шероховатость образца Ra 0,07 мкм, а механоэлектрохимическая обработка соответствовала результату шероховатости Ra 0,05 мкм.
Варьирование точками токоподвода к электроду-инструменту также позволило определить наиболее близкий к оптимальному вариант формирования электрической цепи. В процессе постановки экспериментов рассматривались три варианта контура цепи:
согласно схеме 1 функцию катода выполнял непосредственно сам режущий инструмент;
согласно схеме 2 роль электрода-катода выполнял металлический наконечник сопла системы подачи электролита;
согласно схеме 3 катодом служили два медных стержня, подведенных к поверхности заготовки (анода) с межэлектродным промежутком 0,1 мм.
В каждом варианте схемы заготовка сохраняла положение анода с подключением к цепи через динамическое токосъемное устройство.
В итоге можно отметить, что при механоэлектрохимической обработке силумина АЛ2 максимальное снижение шероховатости профиля соответствует реализации варианта схемы 3, когда сам режущий инструмент не участвует в электрической цепи, а рабочая часть катода представлена двумя разнесенными друг от друга стержнями, пространственно располагающимися над и под режущим инструментом позади его режущей кромки (со стороны вспомогательной режущей кромки) и имеющими минимальный межэлектродный зазор с заготовкой. Применение данной схемы позволяет получить наименьшую шероховатость обработанной поверхности Ra 0,05 мм при совмещении трех типов воздействия на обрабатываемую поверхность, когда механическое воздействие выходит вперед и снимает наибольшую или основную часть припуска (расчетно до 0,5 мм глубиной), а электрохимическая обработка уже формирует окончательную поверхность, снимая микрослой формируемого профиля. Сравнительные характеристики, основанные на статистических данных по трем схемам механоэлектрохимической обработки и механической, представлены на рис. 3–5.
Заготовки для деталей из металлокерамических пористых материалов на основе меди и железа формируются технологическими методами порошковой металлургии посредством укладки и прессования металлических порошков совместно с разрыхлителями (карбонат аммония, парафин, хлорид натрия, хлорид меди (II), раствор поливинилового спирта и другие), позволяющими получить пористую структуру [5], и их последующим спеканием.
Механическая обработка металлокерамики способствует понижению поверхностной пористости вследствие закупоривания пор под действием лезвийного инструмента, что сокращает поверхностную пористость практически в два раза по сравнению с ее естественным значением. Для выяснения возможностей сохранения пористости или снижения эффекта закупоривания пор необходимо уточнение условий проведения обработки и сопутствующих режимов.
Уровень пористости при механообработке зависит от особенностей материалов заготовки и обрабатывающего инструмента, применения СОТС, выбранной скорости, величины припуска, подачи и, соответственно, геометрии режущей части инструмента [6]. Для резания пористых антифрикционных бронзографитов, железографитов, обладающих уровнем пористости до 25%, как показывает практика, рекомендуется выбирать более высокие скорости обработки (до 150 м / мин), режущий инструмент из твердого сплава с износостойким покрытием, имеющий наименьший радиус вершины (до 0,2 мм) и минимальное округление кромки лезвия. Диапазон главных переднего и заднего углов рекомендуется выбирать соответственно в рамках 4–5° и 7–8°, желательно, чтобы подача не превышала 0,05 мм / оборот.
Абразивная обработка практически полностью закрывает поры. Обработка металлокерамики алмазной режущей кромкой, минералокерамикой, твердым сплавом и другими инструментальными материалами не позволяет получить приемлемое значение пористости – наблюдается существенный рост шероховатости, но он обусловлен не вскрытием пор, а лишь микрорельефом поверхности.
Применение электролита, имеющего достаточную концентрацию анионов и содержащего соответствующие материалу заготовки химические элементы, а также обеспечивающего достаточную степень диссоциации с материалами электродов, позволяет снизить закупоривание пор при формообразовании до уровня пористости 23,14%. Результат, позволяющий практически сократить потерю пористости, может быть обеспечен при скорости резания металлокерамики 141 м/мин. Как наиболее подходящие в качестве электролита с точки зрения эффективности, производительности и безопасности, были выбраны водные 30%-ные растворы сульфата меди и сульфата железа.
Выводы
Финишная механоэлектрохимическая обработка алюминиевых сплавов АЛ2 и АЛ3 эффективна при скорости около 250 м / мин. Снижение скорости обработки алюминиевых сплавов сокращает изнашивание кромки почти в 3 раза. В отличие от лезвийной обработки, механоэлектрохимическая снижает шероховатость Ra с 1,3 до 0,6 мкм. Рабочее напряжение электрической цепи выбрано не превышающим 24 В. В роли электролита рассмотрен 25–30%-ный водный раствор NaCl, как наиболее безопасный, обладающий достаточной электропроводностью и имеющий низкую себестоимость.
Чистовое формообразование профиля пористой металлокерамики с помощью механоэлектрохимической обработки показало эффективность на скоростях резания до 141 м / мин. В отличие от лезвийной обработки, механоэлектрохимическая снижает шероховатость Ra до 0,43 мкм. Рабочее напряжение электрической цепи выбрано не превышающим 28 В. В роли электролита рассмотрен 30%-ный водный раствор CuSO4 для металлокерамики на основе меди и FeSO4 для железографита.
Технология чистового формирования профиля деталей из металлокерамики и алюминиевых сплавов с применением электрохимикомеханического комбинированного воздействия при правильно выбранных условиях может быть эффективна. Такие способы обработки содержат достаточно разнообразное количество входящих факторов, за счет разного сочетания которых удобно управлять качеством. Комплексные технологические приемы формирования микропрофиля оправдывают себя экономически при обработке конструкционных сталей, жаропрочных сплавов и многих других видов токопроводящих материалов, а также целесообразна реализация таких методов в технологических процессах на финишных операциях с мягкими металлами и объемно-пористыми структурированными материалами, повышая производительность производства.
Литература
Inozemtsev V. E., Kulikov M.Yu., Inozemtsev V. E., Myo Naing Oo. Technological method for the finishing process of fusible alloy Precision Machining // VII. Selected, peer reviewed papers from the 7th International Congress of Precision Machining (ICPM 2013), October 3–5, 2013, Miskolc, Hungary. pp. 224–228.
Гусев В. Н. Анодномеханическая обработка металлов, М.-Л., 1952. 38 с.
Подураев В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов // М.: Высшая школа, 1974. 494 с.
Суслов А. Г. Качество поверхности слоя деталей машин // М.: Машиностроение, 2000. 320 с.
Степанчук А. Н., Билык И. И., Бойко П. А. Технология порошковой металлургии // К.: Выш. школа. Головное изд-во, 1989. 415 с.
Куликов М. Ю., Иноземцев В. Е., Мо Наинг У. Способ улучшения качества поверхностного слоя с помощью комбинированной механо-электрохимической обработки. Сборник научных трудов «Високi тенологii в машинобудуваннi» Харьковский политехнический институт. № 1 2012. С. 168–170.
Авторы
Иноземцев Виталий Евгеньевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ФГАОУ ВО Российского университета транспорта, научный сотрудник ИКТИ РАН
Попов Алексей Юрьевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ФГАОУ ВО Российского университета транспорта
Отзывы читателей
