WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

Pages:   || 2 |

«профессионально-педагогический университет» В. П. Строшков, Ю. И. Категоренко ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТА, ЛИТЕЙНОЙ ОСНАСТКИ, ДЕТАЛЕЙ МАШИН Учебное пособие ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Российский государственный

профессионально-педагогический университет»

В. П. Строшков, Ю. И. Категоренко

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ

ИНСТРУМЕНТА, ЛИТЕЙНОЙ ОСНАСТКИ,

ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Учебное пособие

Допущено Учебно-методическим объединением

по профессионально-педагогическому образованию

в качестве учебного пособия для студентов образовательных организаций высшего образования, обучающихся по направлению 051000.62 – Профессиональное обучение (машиностроение и материалообработка) Екатеринбург РГППУ УДК 621.357(075.8) ББК Л35я73-1 С 86 Авторы: В. П. Строшков (введение, гл. 1–10, заключение, приложение), Ю. И. Категоренко (введение, гл. 1) Строшков, Валерий Пантилеймонович .

С 86 Электрохимическое формообразование инструмента, литейной оснастки, деталей машин: учебное пособие / В. П. Строшков, Ю. И. Категоренко. Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2016. 258 с .

ISBN 978-5-8050-0584-9 Изложены основы метода анодного электрохимического формообразования инструмента, литейной оснастки, деталей машин, описана сфера его применения .

Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 051000.62 – Профессиональное обучение (по отраслям), профилей подготовки «Машиностроение и технологическое оборудование» и «Металлургия», а также для инженеров-технологов и конструкторов машиностроительных предприятий .



УДК 621.357(075.8) ББК Л35я73-1 Рецензенты: доктор технических наук, профессор Н. В. Обабков (ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина); кандидат технических наук, доцент Ю. И. Категоренко (ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессиональнопедагогический университет») ISBN 978-5-8050-0584-9 © ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессиональнопедагогический университет», 2016 Оглавление Введение

Глава 1. Основы процесса анодного электрохимического формообразования

1.1. Физико-химические основы процесса анодного электрохимического формообразования

1.2. Преимущества и недостатки метода электрохимического формообразования и сфера его применения

1.3. Основные условия проведения процесса анодного электрохимического формообразования

1.3.1. Выбор электролита

1.3.2. Выбор режимов электрохимического формообразования подвижными электродами-инструментами

1.3.3. Системы управления процессом анодного электрохимического формообразования на малых межэлектродных промежутках......... 22 1.3.4. Выбор источника питания

1.3.5. Совершенствование системы слежения за межэлектродным промежутком

1.3.6. Система управления скоростью подачи электрода-инструмента относительно заготовки

1.4. Анодное поведение металлов и сплавов при электрохимическом формообразовании

1.4.1. Анодное растворение металлов

1.4.2. Влияние термической обработки на удельный съем металла........ 40 1.4.3. Анодное растворение сплавов и композиционных материалов........ 41

1.5. Качество поверхности и точность при анодном электрохимическом формообразовании

1.5.1. Механизм формирования микрогеометрии поверхности при анодном растворении металлов и сплавов

1.5.2. Качество поверхности при анодном растворении сплавов в водном растворе нитрата натрия





1.5.3. Локализация процесса анодного растворения и точность анодной обработки металлов

1.5.4. Наводороживание поверхностных слоев металлов и сплавов при электрохимической размерной обработке

Контрольные вопросы

Контрольные задания

Глава 2. Оборудование для анодного электрохимического формообразования и методы исследования поверхностных слоев металлов и сплавов после электрохимического формообразования

2.1. Оборудование для анодного электрохимического формообразования

2.1.1. Факторы, влияющие на повышение точности анодного электрохимического формообразования

2.1.2. Схема реализации высокоточного анодного электрохимического формообразования

2.2. Материалы и методика подготовки образцов для исследования......... 63

2.3. Методы исследования поверхностного слоя образцов

2.3.1. Металлографический и рентгенофазовый анализ

2.3.2. Микрорентгеноспектральный анализ

2.3.3. Определение твердости и микротвердости поверхности обработанных образцов

Контрольные вопросы

Контрольные задания

Глава 3. Влияние параметров электрохимического формообразования на производительность и точность обработки

3.1. Зависимость обработки инструментальных сталей от условий прокачки раствора электролита в межэлектродном промежутке и от амплитуды технологического напряжения

3.2. Влияние параметров импульса технологического напряжения на производительность и точность электрохимического формообразования

3.3. Зависимость точности обработки от состава инструментальных сталей

Контрольные вопросы

Контрольные задания

Глава 4. Исследование поверхности инструментальных сталей, образующейся в результате электрохимического формообразования .

........... 82

4.1. Исследование химического состава поверхностного слоя инструментальных сталей до и после электрохимической размерной обработки

4.1.1. Анализ поверхности стали Х12МФ методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

4.1.2. Анализ поверхности стали Р6М5 методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

4.1.3. Анализ поверхности стали ХВГ методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

4.2. Исследование микрорельефа и фазового состава поверхности инструментальных сталей, образующейся в результате электрохимического формообразования

4.2.1. Исследование микрогеометрии и фазового состава поверхности образцов стали У8

4.2.2. Исследование микрогеометрии и фазового состава поверхности образцов стали Х12

4.2.3. Исследование микрогеометрии и фазового состава поверхности образцов стали 9ХС

4.2.4. Исследование микрогеометрии и фазового состава поверхности образцов стали ХВГ

4.2.5. Исследование микрогеометрии и фазового состава поверхности образцов стали Х12МФ

4.2.6. Исследование микрогеометрии и фазового состава поверхности образцов стали Р6М5

4.3. Исследование микрогеометрии рабочей поверхности металлообрабатывающего инструмента, изготовленного различными методами металлообработки

4.4. Исследование микротвердости поверхностных слоев инструментальных сталей, образующихся при электрохимической размерной обработке

Контрольные вопросы

Контрольные задания

Глава 5. Электрохимическое формообразование изделий геометрически сложной формы

5.1. Электрохимическое формообразование при изготовлении сложнопрофильного металлообрабатывающего инструмента............... 142

5.2. Электрохимическое формообразование труднодоступных рабочих полостей деталей машин

5.3. Электрохимическое формообразование внутренних фасонных полостей деталей машин

5.4. Восстановление изношенного инструмента после наплавки на него упрочняющего сплава

5.5. Изготовление чеканочных штампов

5.6. Серийное изготовление инструмента с помощью многоместной оснастки

Контрольные вопросы

Контрольные задания

Глава 6. Компьютерное моделирование электродов-инструментов для электрохимического формообразования

6.1. Проектирование электродов-инструментов заданной конфигурации

6.2. Общие сведения о CAD-CAM-системах

6.3. Моделирование электродов-инструментов для изготовления полостей различного профиля в рабочей поверхности детали.............. 188

6.4. Моделирование электродов-инструментов для изготовления сложных криволинейных поверхностей

6.5. Использование CAD-CAM-пакета ArtCAM

Контрольные вопросы

Контрольные задания

Глава 7. Эффективное применение метода электрохимического формообразования в машиностроении

7.1. Экономическая эффективность использования электрохимического формообразования при изготовлении геометрически сложных деталей

7.2. Проектирование и моделирование технологической оснастки с использованием 3D-моделировщиков для процесса электрохимического формообразования при одновременном изготовлении нескольких турбинных лопаток

7.2.1 Моделирование турбинной лопатки

7.2.2. Моделирование универсальной технологической оснастки..... 221

7.3. Электрохимическое формообразование нескольких турбинных лопаток одновременно с помощью многоместной оснастки.......... 231 Контрольные вопросы

Контрольные задания

Заключение

Библиографический список

Приложение 1. Международное признание метода скоростного высокоточного электрохимического формообразования

Приложение 2. Фотографии современных российских электрохимических станков

Введение

В настоящее время известно множество способов размерной обработки материалов, которые по виду энергии, используемой для формообразования, подразделяют на механические, электрические, тепловые и химические. При производстве деталей до сих пор в основном прибегают к механической обработке (МО), которая появилась в весьма далеком прошлом. В то же время наблюдается расширение областей применения открытых в 30–40-е гг. ХХ в. электрических методов, занимающих на сегодняшний день важное место в технологии машиностроения .

Тепловые методы используют в основном для получения заготовок, термической обработки и др. Химические методы при изготовлении деталей находят лишь ограниченное применение. До определенного времени механическая обработка решала задачи, которые ставила перед ней развивающаяся техника. Однако уже в середине ХХ в. обострилась проблема обрабатываемости новых конструкционных материалов, связанная с кинематикой процесса и значительными силами резания. Обработка деталей из таких новых материалов резанием затруднена, а в ряде случаев вообще невозможна. К современным операциям, которые трудно или же просто невозможно выполнить механической обработкой, относятся прорезание каналов аэродинамического профиля, прошивание отверстий и щелей очень малых размеров, выполнение различных операций в труднодоступных местах деталей, изготовление сложнопрофильного инструмента, такого как литьевые, выдувные и пресс-формы, штампы ковочные и чеканочные, резьбонакатной и высадочный инструмент. Во всех указанных и во многих других случаях эффективны методы формообразования, получившие общее название электрофизических и электрохимических методов размерной обработки материалов.

Эти процессы обычно подразделяют на четыре группы:

электроэрозионные (материал с заготовки удаляется в результате действия электрических разрядов); электрохимические (электрическая энергия затрачивается на анодное растворение заготовки); лучевые (основаны на воздействии высококонцентрированных потоков энергии), ультразвуковые (обрабатываемый материал механически скалывается) .

Электроэрозионный и электрохимический методы обработки разработаны в Советском Союзе. Их основоположниками являются такие советские инженеры и ученые, как В. Н. Гусев, положивший начало электрохимической размерной обработке (ЭХРО), Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко, создавшие и теоретически объяснившие процесс электроэрозионной обработки .

Первые опыты В. Н. Гусева по интенсификации обработки деталей машин привели к тому, что еще в 1928 г. удалось осуществить электрохимическую обработку станин крупных металлорежущих станков. В качестве катода использовалась шабровочная плита, установленная над обрабатываемой поверхностью. При заполнении межэлектронного промежутка (МЭП) электролитом и подключении тока анодная поверхность покрывалась тонким слоем продуктов растворения, которые приходилось удалять вручную, что осложняло и тормозило процесс обработки. В. Н. Гусев предложил вести процесс ЭХРО на узких МЭП (десятые доли миллиметра) с принудительной прокачкой электролита, который бы выносил продукты анодного растворения. Это позволило резко поднять скорость обработки и получить детали с достаточной точностью .

Работы по изучению и разработке новых электрохимических способов обработки металлов не прекращались и в годы Великой Отечественной войны. Были выполнены исследования физико-химических закономерностей процесса ЭХРО, которые представляют интерес и в наши дни. За большие заслуги В. Н. Гусев был трижды удостоен звания лауреата Государственной премии СССР. В 1948 г. в его лаборатории была создана электрохимическая установка для обработки сталей и сплавов в потоке электролита, которая впервые применена для изготовления отверстий в броневой стали. Тогда же В. Н. Гусевым были проведены первые опыты по обработке турбинных лопаток. Характерно, что достигнутые в то время режимы обработки (плотность тока 100–150 А/см2 и скорость съема 2–3 мм/мин) не превзойдены до сих пор .

В 50-х гг. в нашей стране впервые в мировой практике было осуществлено промышленное внедрение операций электрохимического формообразования. Практически до конца 60-х гг. ХХ в. не изучались электродные процессы применительно к задачам ЭХРО. Лишь в начале 70-х гг. стали проводиться серьезные исследования теории процесса ЭХРО (Ф. В. Седыкин, Ю. П. Петров, В. Д. Кащеев и др.), которые успешно продолжались до конца 80-х гг. (Г. Н. Зайдман, А. Д. Давыдов, И. Н. Мороз и др.). К настоящему времени опубликован ряд обобщающих монографий, посвященных этому способу металлообработки в целом и различным его аспектам в частности [1–12] .

Электроэрозионное и электрохимическое формообразования имеют много общего, несмотря на различия их физико-химических принципов .

Так, оба процесса предназначены только для съема материала заготовки, поскольку формообразование в любом случае необратимо, и удаленный припуск невозможно восстановить. Твердая исходная заготовка в обоих процессах выбирается из того же материала, из которого должна быть изготовлена деталь, и обработка сводится к изменению только геометрических параметров заготовки. Для каждого из процессов необходимы два электрода, между которыми подается электрическое напряжение. Одним из электродов служит сама заготовка, вторым – другое твердое тело, которое по аналогии с механической обработкой называют инструментом. Заготовка и инструмент не касаются друг друга и отделены межэлектродным промежутком, заполненным соответственно подобранной рабочей средой. В случае электрохимической обработки электрод-инструмент (ЭИ) не подвержен износу. Именно этой особенностью обусловлены перспективы использования и уникальность метода, позволяющего получать практически неограниченное число копий с одного инструмента .

Если для съема материала заготовки используют электрохимический метод, то рабочей средой служит электропроводная жидкость, в которой могут существовать ионы вещества заготовки. В электрохимической размерной обработке рабочей средой служит водный раствор электролита, с большой скоростью прокачиваемый через МЭП. Вследствие наличия МЭП конфигурации обрабатываемой части электрода-заготовки и инструмента не совпадают. Отличие обеих конфигураций тем меньше, чем уже МЭП. Если МЭП узкий, то может применяться электрод-инструмент, имеющий точно такую же поверхность, которую требуется получить у детали;

инструмент при этом называют некорректированным, а процесс формообразования – простым отображением или копированием. Отвод продуктов обработки и теплоты из МЭП происходит благодаря протеканию рабочей среды вдоль электродов. Сужение МЭП ведет к росту энергетических затрат на перемещение рабочей среды и, следовательно, к замедлению ее движения, уменьшению скорости отвода продуктов обработки и теплоты из промежутка. Поэтому сужение МЭП, необходимое для повышения точности обработки, обычно сопровождается падением производительности .

Конечными критериями качества процесса ЭХРО являются отклонение размеров детали от чертежа, разность между полученной и заданной глубиной поверхностного измененного слоя и, наконец, несовпадение достигнутого и заданного классов шероховатости. Цель процесса ЭХРО – это, во-первых, достижение конечных критериев в пределах допусков, а во-вторых, производство годной детали оптимальным путем, т. е. при наименьшем значении интегрального критерия качества процесса (времени обработки, расхода энергии и т. д.). Таким образом, условия ЭХРО определяются группами величин, описывающих физико-химические свойства инструмента и заготовки, геометрические свойства МЭП, скорость относительного перемещения электродов, свойства рабочей среды и электрофизические характеристики межэлектродного процесса. Важнейшей особенностью ЭХРО является (наряду с непрерывным прокачиванием электролита через зону обработки) непрерывное перемещение электрода-инструмента со скоростью, равной скорости растворения заготовки. Следствием этого стали другие важные особенности данного метода обработки: высокие плотности тока и малые (десятые и сотые доли миллиметра) межэлектродные зазоры .

ЭХРО – это, прежде всего, высокоинтенсивный процесс. Ни один другой процесс металлообработки не осуществляется со столь высокими скоростями. Названные особенности характеризуют ЭХРО как процесс электрохимической технологии. Следует также отметить, что возможность осуществления бесконтактного формообразования, обработки труднообрабатываемых механическими способами металлов и сплавов, а также деталей сложной формы, отсутствие износа инструмента характеризуют ЭХРО как прогрессивный способ металлообработки .

Однако развитие данного метода было заторможено на рубеже 80– 90 гг. ХХ в., поскольку не были выявлены до конца количественные закономерности процессов, контролирующих протекание обработки. Также не было установлено должной взаимосвязи теоретического обоснования метода с экспериментальными результатами и наработками. Соответственно далеки от совершенства используемые для ЭХРО методы инженерного расчета, масштабного перехода и оптимизации оборудования. Причиной отсутствия связи между теорией и практикой в этой области является невозможность в большинстве случаев четко расчленить процесс ЭХРО на элементарные стадии, протекающие с различными скоростями с присущими этим стадиям условиями и поддающиеся достаточно строгому теоретическому рассмотрению .

Поиск оптимального процесса ЭХРО обычно разбивают на два этапа .

На первом предварительно определяют основные условия проведения процесса обработки, в том числе выбирают рабочую среду, характер движения электродов, материал и конфигурацию инструмента, источник питания и др .

Второй этап – это управление режимом обработки. Управляющими обычно являются параметры, описывающие напряжение на электродах, принудительное движение рабочей среды и скорость относительного перемещения электродов. Эффективное изготовление методом ЭХРО изделий сложной формы из широкого круга металлов и сплавов предполагает детальное знание соответствующих условий. Однако до настоящего времени соответствующие систематические сведения в научно-технической литературе не представлены, а компьютерное моделирование физико-химических процессов применительно к методу ЭХРО находится на начальной стадии развития. Более того, существует мнение о возможности применения ЭХРО лишь в некоторых узкоспециализированных областях, где данный метод традиционно используется для изготовления деталей с относительно простой геометрией, не требующих высокой точности. Это мнение во многом сформировано по причине недостаточно полного понимания процессов электрохимического формообразования деталей сложной конфигурации, в том числе формирования поверхности с требуемой высокой точностью и качеством. Поэтому особое внимание в пособии уделено рассмотрению взаимосвязи процессов, происходящих при анодном растворении металлов и сплавов, и характеристик поверхностей инструментальных сталей, сформированных в результате импульсноциклической электрохимической размерной обработки в нейтральных водных электролитах. Также исследованы изменения химического и фазового состава поверхностных слоев инструментальных сталей, происходящие в процессе обработки. Кроме того, подробно рассмотрен ряд практически важных вопросов, связанных с применением метода электрохимического формообразования для изготовления сложнопрофильного инструмента, а также различных фасонных полостей деталей машин. В частности, представлены данные о влиянии параметров процесса (состава электролита, вибрации электрода-инструмента, формы и длительности импульса анодного потенциала и т. п.) на качество образующейся поверхности и точность обработки, полученные на промышленном оборудовании в реальных условиях .

Отдельная глава посвящена моделированию и изготовлению электродов-инструментов с помощью CAD-CAM-систем с использованием современных программных продуктов, таких как ArtCAM, PowerShape, SolidWorks и др .

В результате многолетней исследовательской работы, проведенной автором учебного пособия, был разработан метод скоростного высокоточного электрохимического формообразования сложнопрофильного инструмента и деталей машин, в основе которого лежат изобретения, защищенные семью патентами Российской Федерации. Данный метод получил международное признание. В прил. 1 к учебному пособию размещены фотографии дипломов и золотой медали 36-го Международного салона изобретений (Женева, Швейцария, 2008 г.) и 7-го Московского международного салона инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2007 г.). В прил. 2 представлены фотографии электромеханических станков, на которых можно осуществить обработку деталей машин и сложнопрофильного инструмента методом скоростного высокоточного электрохимического формообразования .

Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 051000.62 – Профессиональное обучение (по отраслям), профилей подготовки «Машиностроение и технологическое оборудование» и «Металлургия» и может использоваться в качестве дополнительной учебной литературы при изучении дисциплин «Основы технологии машиностроения», «Металлорежущие инструменты», «Основы конструирования машин», «Проектирование литейной оснастки с использованием пакета программ» .

В результате освоения материала пособия у студента будут формироваться следующие компетенции: способность выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессионально-педагогической деятельности (ОК–16); готовность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессионально-педагогической деятельности (ОК–17); владение технологией научного исследования (ОК–19); способность самостоятельно работать на компьютере (элементарные навыки) (ОК–23); готовность анализировать информацию для решения проблем, возникающих в профессионально-педагогической деятельности (ОК–27); готовность к применению технологий формирования креативных способностей при подготовке рабочих (специалистов) (ПК–14); способность проектировать и оснащать образовательно-пространственную среду для теоретического и практического обучения рабочих (специалистов) (ПК–16); готовность к конструированию содержания учебного материала по общепрофессиональной и специальной подготовке рабочих (специалистов) (ПК–20); готовность к конструированию, эксплуатации и техническому обслуживанию учебно-технологической среды для практической подготовки рабочих (специалистов) (ПК–28); способность использовать передовые технологии в процессе обучения рабочей профессии (специальности) (ПК–31); готовность к формированию профессиональной компетентности токаря, фрезеровщика, слесаря механосборочных работ и операторов станков с программным управлением соответствующего квалификационного уровня (ПК–34) .

Глава 1. ОСНОВЫ ПРОЦЕССА АНОДНОГО

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

1.1. Физико-химические основы процесса анодного электрохимического формообразования Электрохимическая размерная обработка включает в себя довольно широкий класс процессов, таких как электрохимическое удаление заусенцев, маркирование, калибрование, полирование и, наконец, анодное электрохимическое формообразование (ЭХФ) [1]. При анодном ЭХФ нужную деталь получают в результате удаления металла с заготовки путем анодного растворения в растворе электролита (рис. 1.1) [2]. Для более точного копирования процесс проводят при поддержании малого межэлектродного расстояния (порядка 0,05 мм) .

Рис. 1.1. Схема получения детали с помощью анодного ЭХФ:

1 – катод-инструмент; 2 – обрабатываемая заготовка; 3 – полученная деталь По мере растворения анода катод-инструмент с помощью специального механизма двигается по направлению растворения с заданной скоростью, равной скорости растворения анода. Для достижения высокой производительности ЭХРО анодное растворение производят при больших плотностях тока (10–100 А/см2). Протекание электрохимических процессов в таких условиях в течение достаточно длительного времени обеспечивается прокачкой раствора электролита через межэлектродный промежуток под давлением с целью выноса из зоны обработки продуктов реакций (газа, шлама) и выделившегося тепла. При применяемых в анодном ЭХФ плотностях тока интенсивность внутреннего теплообразования составляет 1– 100 кВт/см3. Поэтому для предотвращения перегрева электролита требуется осуществлять его замену с характерной скоростью течения 10–50 м/с .

При ЭХФ на аноде протекает ряд процессов [3], простейшим из которых является электрохимическое растворение металла М:

–  –  –

ze – количество электронов .

Образующиеся в растворе катионы металла взаимодействуют с водой. В результате гидролиза в растворе вблизи поверхности анода образуются гидроксокомплексы:

–  –  –

Реакции (1.1) и (1.2) вызывают подкисление прианодного слоя электролита, а реакция (1.2) – еще и появление пузырьков газа в МЭП. На катоде происходит разряд молекул воды

–  –  –

с выделением газообразного водорода и подщелачиванием прикатодного слоя электролита. В результате смешивания подкисленного анолита и подщелоченного католита в МЭП образуется гидроксид металла:

–  –  –

Твердые частицы гидроксида создают шлам, загрязняют электролит и изменяют его рН. Величина рН электролита, вышедшего из электрохимической ячейки, определяется константой диссоциации гидроксида

–  –  –

где A – анион электролита, и захвата некоторого количества образовавшейся основной соли осадком гидроксида М (ОН)z .

Осадок гидроксида может захватывать и другие частицы, имеющиеся в электролите, например анионы. Чтобы показатели ЭХРО не изменялись при длительной работе электролита, необходимо постоянно или периодически корректировать его состав. Необходимость принудительного течения электролита и значительное влияние гидродинамических условий на процесс анодного ЭХФ приводит к тому, что особое значение приобретает подбор гидродинамических параметров обработки, расположения и формы отверстий и щелей для ввода в МЭП и вывода из него потока электролита [4]. Неправильное расположение щели в теле катода-инструмента может привести к образованию зон с пониженными скоростями течения (так называемых застойных зон). В этих зонах происходит повышение температуры, парообразование, а часто и прекращение растворения металла из-за отсутствия доступа электролита к поверхности электродов. Это приводит к появлению дефектов на обрабатываемой поверхности, коротких замыканий и невозможности устойчивого протекания процесса .

1.2. Преимущества и недостатки метода электрохимического формообразования и сфера его применения Преимущества ЭХФ. ЭХФ происходит в результате анодного растворения металла, скорость которого зависит от электрохимического эквивалента и подчиняется законам электрохимической кинетики. При этом производительность обработки не зависит от твердости, вязкости и других свойств обрабатываемого материала, вследствие чего отпадает необходимость в применении инструмента из более твердого материала, чем материал обрабатываемой заготовки. Отсюда следует, что электрохимический метод выгодно применять для труднообрабатываемых механическими способами материалов .

Электрохимический процесс ведется при отсутствии контакта между обрабатываемой заготовкой и инструментом. Это делает метод пригодным для обработки тонкостенных, легко деформируемых при механической обработке деталей, а также деталей из хрупких материалов, склонных к образованию трещин в поверхностном слое и значительному ухудшению по этой причине их эксплуатационных свойств .

Важным свойством ЭХФ является то, что этот процесс, как правило, не вносит собственных изменений в поверхностный слой обрабатываемого материала. Низкая температура в рабочей зоне не вызывает фазовых превращений, термических напряжений. Сравнительно малые давления электролита не приводят к деформации поверхностного слоя. При электрохимическом растворении удаляется дефектный слой материала и, кроме того, устраняются изменения в поверхностном слое, вызванные предыдущей обработкой. Эта особенность важна для повышения эксплуатационных свойств деталей, особенно чувствительных к неоднородности свойств поверхностного слоя [5]. ЭХФ может применяться после термической обработки, приводящей к значительному повышению твердости материала, и дает возможность обработки в труднодоступных местах .

В большинстве разновидностей анодного ЭХФ происходит копирование на аноде формы катода-инструмента сразу по всей поверхности заготовки, поэтому детали сложной формы могут быть получены в результате простого поступательного движения инструмента. Одна операция ЭХФ может заменить несколько механических операций. Уникальными свойствами ЭХФ являются практическое отсутствие износа инструмента и то, что увеличение производительности процесса, как правило, сопровождается одновременным улучшением качества поверхности изделия, а часто также и повышением точности обработки .

ЭХФ имеет и ряд недостатков .

Отсутствие контакта инструмента с деталью и высокая электропроводность растворов электролитов приводит к низкой локализации процесса съема металла, к растворению металла не только в зоне обработки, но и на прилегающих к ней участках поверхности детали. Пользуясь применяемым в механической обработке понятием системы СПИД («станок – приспособление – инструмент – деталь») [6], можно сказать, что при ЭХФ имеется дополнительное звено в виде межэлектродного промежутка, которое приводит к уменьшению «жесткости»

системы в целом. В частности, возникает неопределенность взаимного расположения рабочей поверхности катода-инструмента и обрабатываемой поверхности заготовки, или, иначе, погрешность определения положения обрабатываемой поверхности в каждый момент времени относительно базовых элементов детали. Это является причиной снижения точности копирования. Также возможны трудности при проведении ЭХФ деталей с неравномерным припуском на обработку, когда имеются участки, где припуск близок к нулю. Рассеивание линий тока в электролите может приводить к снижению качества обработанной поверхности на участках, прилегающих к рабочему, так как в этих местах при низких значениях плотности тока возможно травление поверхности металла, даже когда в рабочей зоне при высокой плотности тока качество обработанной поверхности высоко. Кроме того, процессы, происходящие при ЭХФ, характеризуются более высокой, чем механическая обработка, энергоемкостью [7] .

Сфера применения ЭХФ определяется основными преимуществами соответствующих методов обработки. Они используются для получения деталей сложной формы, для изготовления тонкостенных, т. е. легко деформируемых механическими методами обработки деталей. ЭХФ применяется также для трудноподдающихся другим методам обработки материалов, т. е. особо твердых, вязких, хрупких, склонных к растрескиванию при механической обработке и т. д. В качестве конкретных примеров применения анодного ЭХФ можно привести изготовление колес газовых турбин, лопаток газотурбинных двигателей, литейных и выдувных форм, пресс-форм, ковочных и чеканочных штампов, сложнофасонного режущего инструмента, стеклоформ для прессования изделий из стекла и многих других самых разнообразных деталей авиационной, медицинской и других видов техники [8] .

1.3. Основные условия проведения процесса анодного электрохимического формообразования 1.3.1. Выбор электролита Для получения высоких технологических показателей ЭХФ необходимо соответствие электролита следующим требованиям: максимально полное исключение побочных реакций, снижающих выход по току; анодное растворение металла заготовки только в зоне обработки и исключение растворения необрабатываемых поверхностей, т. е. наличие высоких локализующих свойств; обеспечение протекания на всех участках обрабатываемой поверхности заготовки электрического тока расчетного значения .

Состав и концентрацию электролита подбирают, учитывая определенные факторы [9]:

электролит должен хорошо диссоциировать при всех возможных вариациях технологических параметров обработки, что обеспечивает высокую электропроводность электролита;

потенциал материала катода-инструмента должен быть более положительным, чем потенциал осаждения катионов;

в электролите необходимо наличие активирующих анионов, разрушающих под воздействием тока поверхностные оксидные пленки, что обеспечивает преимущественное протекание на аноде реакции растворения;

для обеспечения предельно малой шероховатости поверхности и высокой точности размеров обрабатываемых поверхностей необходимо сродство компонентов материала анода и анионов электролита и их сродство с кислородом;

равномерное растворение обрабатываемой поверхности анода на всем ее протяжении, которого можно достигнуть при соответствии концентрации анионов, имеющих близкое сродство с тем или иным компонентом материала заготовки и с содержанием компонента в этом материале;

должно быть обеспечено поддержание требуемого состава электролита в течение всего процесса ЭХФ, что возможно при условии постоянного удаления продуктов электролиза из раствора, для чего, в свою очередь, должна иметься возможность перевода продуктов анодной реакции в нерастворимое состояние .

Электролит должен иметь невысокую вязкость, что облегчает его прокачивание через МЭП и ускоряет его тепло- и массоперенос. Он должен быть безвредным для обслуживающего персонала, взрыво- и пожаробезопасным, а также обладать невысокой коррозионной активностью. При выборе электролита учитывают также его удельную электропроводность, которая при увеличении концентрации обычно возрастает, достигает максимума и при дальнейшем росте концентрации падает. Применяемые для ЭХФ электролиты имеют удельную электропроводность от 10 до 40 См · м–1 .

Оптимальный водородный показатель раствора определяется степенью кислотности окислов обрабатываемого металла. Окислы большинства двухвалентных и трехвалентных металлов являются амфотерными; такие металлы (например, железо, никель) и сплавы на их основе обрабатывают в нейтральных растворах. Поливалентные металлы (вольфрам, молибден), окислы которых проявляют кислые свойства, обрабатываются в щелочах .

Соображения стоимости и условия безопасности при обслуживании электрохимических установок ограничивают возможности выбора электролита. Поэтому на практике обычно применяют водные растворы хлористого и азотнокислого натрия. Наиболее распространенным является 10– 25 %-й водный раствор хлористого натрия, поскольку длительная работоспособность, доступность, безопасность и простота приготовления, а также удовлетворительные эксплуатационные свойства способствуют широкому его применению. Однако активный анион Cl– не позволяет получать высокоточный инструмент в результате подтравливания острых кромок токами рассеивания. Кроме того, при анодном растворении металлов происходит выделение газообразного хлора, который частично растворяется в электролите, что приводит к коррозии конструкционных элементов оборудования. Также усложняется система вытяжной вентиляции .

Для ЭХФ большой номенклатуры штамповых сталей, жаропрочных и цветных сплавов используют 10–30 %-й водный раствор азотнокислого натрия.

Катион Na+ удовлетворяет следующим основным требованиям [10]:

во-первых, высокий отрицательный стандартный потенциал меньше рабочего потенциала катода, благодаря чему эти катионы не участвуют в катодном процессе; во-вторых, хорошая растворимость гидроксильных соединений, что позволяет повысить плотность тока, несмотря на подщелачивание прикатодного слоя. Анион NO3– благодаря наличию кислорода способствует пассивации анода при малых плотностях тока, что уменьшает скорость анодного растворения и позволяет повысить точность обработки благодаря уменьшению межэлектродных промежутков. Вместе с тем, растворы азотнокислого натрия (NaNO3) обладают меньшей агрессивностью, чем кислотные и щелочные электролиты, что снижает коррозию оборудования .

1.3.2. Выбор режимов электрохимического формообразования подвижными электродами-инструментами В зависимости от требований к точности и производительности анодное электрохимическое формообразование выполняют в непрерывном, циклическом или импульсно-циклическом режимах [11]. Особенностями непрерывного режима являются следующие: рабочую подачу электрода-инструмента в плоскости Х (рис. 1.2) выполняют с постоянной скоростью; напряжение на электроды подают непрерывно; съем припуска Z с поверхности Y заготовки осуществляют со скоростью Vи в период времени tэ. Для обеспечения минимального значения необходима стабилизация напряжения на электродах Uэ, удельного сопротивления раствора электролита, скорости подачи ЭИ Vи в пределах 1–3 % от их установленных значений и рН в пределах 10–15 %. При непрерывном режиме ЭХФ, когда рабочий торец ЭИ имеет плоскую форму, в начальный период процесса соотношения между скоростями рабочей подачи ЭИ Vи и линейными скоростями электрохимического растворения Vл могут быть следующими: Vи Vл, Vи Vл и Vи = Vл. При Vи Vл значение МЭП в процессе обработки уменьшается и соответственно Vл возрастает до Vи = Vл; в этом случае МЭП приобретает установившееся значение. При Vи Vл величина МЭП в начале ЭХФ возрастает, скорость Vл снижается до Vи = Vл; далее обработка производится при установившемся значении МЭП. При Vи = Vл МЭП с начального момента ЭХФ приобретает установившееся значение. Данный режим применяется при ЭХФ отверстий и полостей любой формы с точностью 0,1–1,0 мм .

–  –  –

Работы по повышению точности ЭХФ привели к созданию новых вариантов обработки, основанных на применении импульсных электрических режимов и периодического (циклического) движения ЭИ. При циклическом режиме (рис. 1.3) в период времени t1 при отсутствии рабочего напряжения ЭИ в плоскости Х подводят к обрабатываемой поверхности Y .

В промежутке времени t2 ЭИ отводят на заданную величину н, равную 0,2–0,5 мм. При подаче напряжения на ЭИ в период t3, равный 5–30 с, происходит анодное растворение и ЭИ перемещается со скоростью рабочей подачи; погрешность = к – н, возникающая за время t3, ликвидируется при очередном повторении цикла (касание электрода с заготовкой) в период t1 и при отведении его на н в период t2; продолжительность цикла tц = t1 + + t2 + t3. Для этого режима не требуется высокая степень стабилизации Uэ,, Vи; величину рН стабилизируют в пределах 10–15 % от установленного значения. Данным режимом ЭХФ получают поверхности сложной формы с точностью 0,15–0,8 мм .

Рис. 1.3. Циклический режим ЭХФ

При импульсно-циклическом режиме в период t1 при отсутствии рабочего напряжения ЭИ в плоскости Х подводят к обрабатываемой поверхности Y (рис. 1.4). Затем в период t2 ЭИ отводят на заданный промежуток МЭП (н, равный 0,03–0,1 мм). При поступлении напряжения на ЭИ в период t2, равный 0,1–0,8 с, подается напряжение Uэ импульсной формы и происходит анодное растворение припуска Z; в период t4 при отсутствии напряжения ЭИ отводят от заготовки на величину промывочного зазора пр, чем облегчают прокачивание электролита через МЭП. Продолжительность цикла tц = t1 + t2 + t3 + t4 .

пр н Рис. 1.4. Импульсно-циклический режим ЭХФ Погрешность при импульсно-циклическом режиме практически отсутствует; не требуется высокая степень стабилизации Uэ и ; величину рН стабилизируют в пределах 10–15 % от установленного значения. Данный режим применяется при ЭХФ поверхностей сложной формы с точностью до 0,05–0,15 мм .

1.3.3. Системы управления процессом анодного электрохимического формообразования на малых межэлектродных промежутках В настоящее время известны и нашли применение ряд систем управления процессом ЭХФ для работы на малых межэлектродных промежутках (или зазорах) [12]. Система управления дискретным процессом ЭХФ при симметричных колебаниях электрода-инструмента отличается тем, что технологическое напряжение подается на электроды электрохимической ячейки преимущественно в периоды, предшествующие максимальному их сближению (рис. 1.5) .

Рис 1.5.

Циклограмма работы замкнутой системы управления дискретным процессом ЭХФ при симметричных колебаниях электрода-инструмента:

Х – перемещение катода; Y – перемещение анодной поверхности; Uтт – импульс напряжения источника технологического тока; Uдн – дополнительное напряжение, прикладываемое к МЭП для выявления механического контакта При отключении источника электропитания к электродам прикладывается контрольное напряжение от маломощного источника, а механический контакт фиксируется по длительности протекания импульсов тока по контрольно-измерительной цепи или «просадке» измерительного напряжения, что является сигналом для установки скорости подачи. Незначительные нелинейные искажения формы колебаний катода-инструмента относительно анода-заготовки (или, наоборот, обрабатываемой заготовки относительно катода-инструмента) в моменты их касания позволяют отнести эту систему к числу систем управления дискретным процессом ЭХФ с симметричными колебаниями электрода. Данная система дает возможность вести обработку при малых межэлектродных промежутках (0,1–0,05 мм) и частотах колебаний электрода-инструмента 10–50 Гц, обеспечивая сравнительно высокую производительность (0,2–0,8 мм/мин). К недостаткам данной системы обычно относят невозможность раздельного управления такими параметрами, как величина начального и конечного рабочих зазоров, максимальный промывочный зазор Sпр, длительность рабочего периода tр и периода промывки tпр, скорости подвода Vпод и отвода Vотв инструмента .

Для электрохимической обработки на малых межэлектродных промежутках (менее 0,1 мм) находят также применение системы управления с ассимметричными колебаниями электрода-инструмента с дополнительной промывкой межэлектродного промежутка за счет периодического разведения электродов. Питание электрохимической ячейки при этом осуществляется импульсным технологическим напряжением. Этот вид обработки получил название импульсно-циклической обработки [13]. Циклограмма работы системы показана на рис. 1.6 .

Система слежения за МЭП позволяет вести обработку при неподвижных, сближающихся и разводящихся электродах во время подачи импульса технологического тока. Характерной особенностью этих систем управления является отсутствие обратной связи в рабочие периоды единичных циклов. Несмотря на то, что при установке заданного межэлектродного промежутка в начале каждого единичного цикла действие датчика касания электродов аналогично действию датчиков отрицательной обратной связи, систему управления следует отнести к числу разомкнутых систем, так как по сигналу датчика касания не осуществляется активного воздействия на параметры цикла. В рабочие периоды, когда идет анодное растворение материала заготовки, система работает как разомкнутая, а текущая величина межэлектродного промежутка определяется лишь саморегулированием электрохимической ячейки .

Рис. 1.6.

Циклограмма работы разомкнутой системы управления дискретным импульсно-циклическим процессом ЭХФ при асимметричных колебаниях ЭИ:

Z – величина припуска, снимаемого за единичный цикл; So, Sк – соответственно начальный и конечный МЭП в единичном цикле; Sпр – максимальный промывочный зазор; tпр – время отвода на дополнительный промывочный зазор;

tпод – время подвода ЭИ; tц – полное время единичного цикла;

tи – длительность импульса напряжения; tр – длительность рабочего периода Более широкие технологические возможности призваны обеспечить замкнутые системы управления дискретным процессом ЭХФ с асимметричными колебаниями электрода-инструмента. Введение регулирования величины межэлектродного промежутка в единичном цикле по косвенным параметрам (технологическому току, напряжению, локальной плотности тока, по производной от искаженной форме технологического напряжения, вызванной зашламлением межэлектродного промежутка и др.) позволяет увеличить длительность рабочего периода, а соответственно, и производительность обработки. Однако, интегральный характер информации, отсутствие данных о минимальном межэлектродном промежутке не дают вести обработку при зазорах менее 0,1–0,15 мм. При этом необходимо учитывать, что максимальная точность обработки достигается тогда, когда во время рабочего периода зазор заперт и электролит неподвижен [14]. Запирание электролита в межэлектродном промежутке происходит при зазорах менее 0,1 мм .

В настоящее время разработаны замкнутые импульсно-циклические системы, которые могут обеспечить более высокую точность копирования с регулированием скорости рабочей подачи ЭИ в каждом единичном цикле на основе сравнения с обработкой в предыдущих циклах. В качестве примера такой системы можно привести систему управления, на которую

Е. А. Мякотиным, Б. А. Шашловым и В. И. Шеберстовым получено авторское свидетельство на изобретение [15], где предлагается следующее соотношение для расчета скорости подачи ЭИ V:

V = Vп (tк – to) / tк tэ / (tэ – tо),

где Vп – фактическая скорость подачи в предыдущем цикле касания;

tк – фактическое время между касаниями;

tо – время обработки с включенной подачей;

tэ – эталонное время между касаниями .

Причем в случае отсутствия касания электродов в течение времени, превосходящего эталонное время, между касаниями на заданную величину, обработку ведут ускоренной относительно фактической подачей, а величину изменения скорости определяют в соответствии со следующим соотношением:

V = (Vп (tк – tо – tу) + Vу tу) / tк tэ / (tэ – tо),

где Vу – ускоренная скорость подачи;

tу – время обработки со скоростью Vу .

Замкнутые импульсно-циклические системы при асимметричных колебаниях электрода-инструмента с отводом на промывочный зазор обладают сравнительно низкой производительностью из-за ограниченного времени рабочего периода по отношению к циклу. Поэтому их рекомендуется использовать при работе на доводочных операциях, из чего можно сделать вывод о целесообразности сочетания в комплексной системе управления станка нескольких систем управления процессом ЭХФ с целью наилучшего использования технологических возможностей непрерывного и дискретного процессов ЭХФ .

Импульсно-циклические системы работают при длительности цикла от десятых долей секунды до сотен секунд. Время рабочего периода в цикле ограничено временем «запирания» зазора под влиянием парогазовой смеси и продуктов растворения. А время «запирания», в свою очередь, зависит от величины межэлектродного промежутка и уровня вводимой мощности (рис. 1.7) [16] .

–  –  –

Рис. 1.7. Зависимость между уровнем вводимой в МЭП мощности и временем «запирания» (80 г/л NaCl, = 0,3 мм, Р = 0,2 МПа) Отсюда следует вывод о том, что с целью повышения точности и производительности обработки необходимо уменьшение рабочего периода по отношению к длительности цикла, т. е. повышение частоты работы импульсно-циклической схемы при соблюдении условия обеспечения полной промывки межэлектродного промежутка. Однако знакопеременные нагрузки, прикладываемые к шаговому гидроэлектроприводу, не позволяют выходить на частоты, которые были получены при работе с симметричными колебаниями электрода-инструмента. Таким образом, импульсно-циклическая система реализована как замкнутая система управления дискретным процессом ЭХФ при симметричных колебаниях электрода-инструмента .

При реализации способа электрохимической обработки с вибрирующим электродом-инструментом [17, 18] импульс технологического тока подается при подводе или отводе электродов, а в момент максимального сближения, когда нет технологического тока, допускается их контактирование .

При этом контакт вызывает импульс тока от дополнительного высокоомного источника, который служит параметром регулирования МЭП. Причем преимущественной следует считать подачу импульса технологического тока при подводе электрода-инструмента к детали, так как при этом происходит «захлопывание» межэлектродного промежутка, а электролит остается неподвижным. Кроме того, точность электрохимической обработки во многом определяется величиной зазора. При работе с вибрирующим ЭИ во время подачи импульса технологического тока при подводе МЭП уменьшается, а при отводе увеличивается, поэтому точность электрохимической обработки во многом зависит от того, при каком зазоре заканчивается импульс технологического напряжения, а также от его формы .

Один из широко применяемых вариантов реализации данного способа показан на рис. 1.8. При этом колебания электрода-инструмента синхронизированы с частотой сети, а в качестве импульса технологического напряжения используется усеченная синусоида с естественным спадом. Такую форму импульса, когда с уменьшением межэлектродного промежутка падает напряжение, следует считать преимущественной, что позволяет заканчивать импульс непосредственно перед контактом, когда межэлектродный промежуток составляет микроны. К недостаткам данной формы импульса следует отнести то, что «хвостик» синусоиды работает на пассивацию, так как на этом участке напряжение незначительное, и поэтому приводит к потере точности и производительности .

а б

Рис. 1.8. Форма технологического напряжения, подаваемая в МЭП:

а – усеченная синусоида с естественным спадом;

б – усеченная синусоида с отсечкой по заднему фронту С развитием элементной базы появились транзисторные и тиристорные источники с искусственной коммутацией, позволяющие формировать прямоугольные импульсы технологического напряжения. Однако проведенные исследования (например, разработанный В. П. Ашихминым способ размерной электромеханической обработки [19]) не выявили преимуществ в обработке с вибрирующим электродом-инструментом прямоугольного импульса по сравнению с импульсом в виде усеченной синусоиды с естественным спадом, так как прямоугольная форма не позволяет заканчивать импульс непосредственно перед контактом. Приходится сдвигать импульс по отношению к нижней точке колебаний электрода-инструмента на больший межэлектродный промежуток, при этом падает производительность обработки детали. В противном случае возрастает вероятность короткого замыкания и возникновения электрической дуги в зазоре (напряжение удержания электрической дуги в МЭП составляет около 8 В). Тем не менее, введение искусственной коммутации позволяет с использованием в качестве импульса технологического напряжения усеченной синусоиды отсекать и конец синусоиды, работающий на пассивацию .

Такой режим (см. рис. 1.8, б) позволяет поднять производительность обработки на 30 % при повышении точности на 1–2 квалитета и сохранении безопасности работы по сравнению с работой на усеченной синусоиде с естественным спадом (см. рис. 1.8, а) .

1.3.4. Выбор источника питания

К средствам технологического оснащения электромеханической размерной обработки относятся следующие:

электрохимический станок, осуществляющий технологическую операцию;

источник питания (ИП) технологическим током с токоподводами, обеспечивающими подачу напряжения на электроды;

оборудование для хранения, подачи, очистки и регулирования параметров электролита;

система управления работой электрохимического станка;

технологическая оснастка для установки, базирования и крепления заготовок и электродов-инструментов;

устройство для удаления из рабочей зоны электрохимического станка выделяемых при работе газообразных продуктов .

Источники питания являются преобразователями переменного тока в постоянный и обеспечивают подачу напряжения на электроды электрохимического станка. В отдельных случаях при ЭХРО применяют ток переменного (импульсного) напряжения. Сила тока при ЭХРО может достигать 30 000 А, а напряжение – 30 В. Формы напряжений тока, вырабатываемые ИП, и их краткая характеристика приведены в таблице [20]. На практике применяют электромеханические и статические источники питания. Электромеханические ИП имеют механически связанные между собой электродвигатель и генератор; последний вырабатывает ток нужного напряжения .

Такие ИП имеют низкий КПД и используются редко. Статические ИП работают на кремниевых выпрямителях. При выполнении ЭХФ в импульсном режиме применяют источники питания, в которых предусмотрено плавное регулирование напряжения или тока с помощью тиристорного регулятора, а также получение импульсного тока с регулируемой скважностью импульсов. В результате нарушения сплошности потока, зашламленности МЭП, перегрева раствора или деформации электрода-заготовки могут иметь место короткие замыкания, которые при мощности ИП, равной десяткам и сотням киловатт, приводят к свариванию электродов и резкой перегрузке силовых электрических цепей [21] .

Графики форм напряжения тока, вырабатываемые ИП при ЭХРО График формы Характеристика Применение напряжения Однополярная постоянная; ЭХФ при значениях МЭП U напряжение U в течение более 0,5 мм (обеспечиu2 времени t колеблется oт u1 вает максимальную продо u2 в небольших преде- изводительность) u1 лах Крупногабаритные изделия (гибочные штампы для кузовных деталей t автомобилей) Постоянная с изменяющей- Электрохимическое пося полярностью лирование, точение, шлифование

–  –  –

Схемы предупреждения коротких замыканий по сигналам о начале или приближении опасного режима вырабатывают команду, прекращающую передачу энергии в ИП или МЭП. Время срабатывания устройств защиты от 0,006 до 0,01 с. В качестве сигналов, предупреждающих о начале или приближении короткого замыкания, используют пульсацию напряжения на электродах, значения тока и плотности тока в МЭП, скорость нарастания тока и напряжения, величину сопротивления МЭП и др. Поток электрической энергии прерывают путем запирания силовых тиристоров и включением короткозамыкателей на первичной или вторичной сторонах силового трансформатора, отсекая ток, возникающий в результате самоиндукции в обмотках. В качестве предупреждающего сигнала предпочитают тот, который возникает до наступления короткого замыкания. В период, предшествующий короткому замыканию на отдельных участках МЭП, где расстояния между вершинами неровностей поверхности имеют наименьшие значения, возникают локальные электрические разряды, сопровождаемые появлением на выходе ИП высокочастотных составляющих тока и напряжения. Эти колебания, выделенные электронными схемами, используют как сигналы, предупреждающие о коротком замыкании .

1.3.5. Совершенствование системы слежения за межэлектродным промежутком

Работа следящей системы во многом определяется входными и выходными параметрами регулирования. Регулирование межэлектродного промежутка может осуществляться по косвенным параметрам:

технологическому току;

напряжению;

локальной плотности тока;

высокочастотным составляющим технологического тока;

производной от искажения формы технологического напряжения, вызванного зашламлением МЭП .

Однако, как уже отмечалось, интегральный характер информации, отсутствие данных о минимальном зазоре не позволяют вести обработку при зазорах менее 0,1–0,15 мм .

До настоящего времени контрольный метод, или метод «ощупывания», остается наиболее надежным и точным методом для установки МЭП .

Такой контактный метод позволяет управлять величиной межэлектродного промежутка независимо от электрических, гидродинамических и других параметров электрохимической ячейки. Перемещение электрода при этом имеет вид колебаний, амплитуда и частота которых существенно влияют на технологические параметры и показатели процесса. В качестве выходного параметра регулирования обычно принимают амплитудное значение технологического напряжения или скорость подачи электрода-инструмента, а в качестве входного – фиксацию механического контакта между электродами .

Существуют четыре метода определения механического контакта .

1. По «провалу» поляризационного напряжения. Для каждого материала существует свой равновесный потенциал поляризации. Кроме того, под воздействием импульса технологического тока потенциал поляризации электрода смещается в определенную зону на поляризационной кривой, что приводит к появлению остаточного напряжения в МЭП, различного по величине в зависимости от условий обработки. При этом ток, протекающий по контрольно-измерительной цепи, зависит от площади обработки, от величины остаточного напряжения на электродах. Это маломощный сигнал, и система, построенная по этому принципу, обладает невысокой помехозащищенностью .

2. По искажению формы синусоидальных колебаний. Во время обработки в межэлектродном промежутке возникают большие механические нагрузки, вызванные импульсом технологического тока и протеканием электролита через МЭП. Основным недостатком метода в данном случае следует считать зависимость от площади обработки, величины технологического тока и давления электролита в зоне обработки, т. е. зависимость от тех параметров, которые могут изменяться во время обработки, поэтому система требует постоянной подстройки .

3. По «просадке» короткого контрольного импульса напряжения, подаваемого в месте ожидаемого механического контакта электродов. Преимуществом этого метода следует считать то, что импульс большей амплитуды может пробить пассивирующую пленку, образовавшуюся на анодной поверхности. Однако, на амплитуду этого импульса влияет заряд конденсаторов, образованных двойным электрическим слоем у поверхности анода и катода. Емкость такого конденсатора зависит, в первую очередь, от площади обработки, а энергией импульса производится зарядка этого конденсатора. Серьезным недостатком данного метода следует считать то, что механический контакт фиксируется только в строго определенном ожидаемом месте. А под действием механических нагрузок, возникающих в системе, резонансных явлений, нежесткости оснастки форма колебаний может быть искажена и механический контакт смещен. В данном случае система «не отработает», что может привести к короткому замыканию .

4. По «просадке» дополнительного напряжения, меньшего потенциала анодного растворения (+1,5 В) от дополнительного низковольтного источника. Данный датчик позволяет наиболее точно фиксировать механический контакт между электродами .

Как уже отмечалось, фиксирование механического контакта с помощью дополнительного низковольтного источника можно проводить по «просадке» напряжения или по броску тока в контрольно-измерительной цепи. Исследования (в частности, исследование А. Д. Лимонова, посвященное способу размерной электрохимической обработки металлов [22]) показали следующие результаты. Токовый датчик более чувствительный и позволяет устойчиво фиксировать контакт длительностью 0,8 мс, при этом по контрольно-измерительной цепи протекает ток 2 А. Кроме того, датчик по напряжению позволяет фиксировать контакт длительностью 1,6 мс. Однако токовый датчик более чувствителен к помехам. Это определяется, в частности, тем, что по контрольно-измерительной цепи протекает ток (меньший, чем при контакте) и во время отсутствия контакта, так как дополнительный источник напряжения начинает работать на смещение потенциала поляризации. Поэтому основным следует считать датчик, работающий по «просадке» напряжения от дополнительного источника .

Во время экспериментов также выяснилось, что при определенных условиях обработки (например, при малой плотности тока) на обрабатываемой детали образуется питтинг. Удалось определить, что питтинг развивается в паузах между импульсами технологического тока, причем напряжение от дополнительного источника способствует питтингообразованию, смещая потенциал поляризации анода после импульса технологического тока в зону питтингообразования. При этом при отключении источника дополнительного напряжения при сохранении остальных условий обработки зон питтингообразования становится больше, но глубина растравливания значительно уменьшается. Для ограничения отрицательного воздействия источника дополнительного напряжения на процесс ЭХФ в электрохимический станок вводят программное включение источника, что позволяет подключать источник только в зоне ожидаемого контакта .

1.3.6. Система управления скоростью подачи электрода-инструмента относительно заготовки Основная задача системы управления скоростью подачи в электрохимическом станке – это поддержание скорости подачи, равной скорости растворения: Vп = Vp .

Известна и нашла широкое применение следующая система управления скоростью подачи: в начале обработки включается привод рабочей подачи со скоростью, несколько превышающей скорость анодного растворения; при появлении контакта скорость подачи выключается и включается выдержка времени t, значительно превышающая период колебания электрода-инструмента (1–2 с), за это время МЭП увеличивается; после окончания выдержки времени снова включается подача электрода (если за время контактирования прошло несколько контактов, то выдержка времени включается от последнего контакта) .

Данная система управления хорошо зарекомендовала себя простотой и надежностью работы. При такой системе необходимо задавать скорость подачи несколько большую, но близкую к скорости растворения. В противном случае, если скорость растворения окажется больше скорости подачи, система будет вести себя как разомкнутая, а процесс пойдет на саморегулировании с потерей производительности и точности обработки. Если задавать скорость подачи, значительно превышающую скорость растворения, то появится частое контактирование, возрастут импульсные нагрузки на механическую часть системы, повысится вероятность возникновения короткого замыкания .

В процессе обработки одной детали скорость растворения на разных участках по глубине может значительно меняться из-за изменений условий обработки. В практических условиях один техник, как правило, обслуживает группу станков. Поэтому постоянные подстройки скорости подачи ЭИ во время обработки при изменении условий растворения являются достаточно затруднительными. Чтобы избежать короткого замыкания и частого контактирования на участке, где скорость растворения падает, техник устанавливает скорость подачи для конкретного технологического процесса по этому участку. При этом процесс обработки протекает следующим образом: система в течение обработки функционирует на саморегулировании как разомкнутая, и только в конце обработки выходит на контакт .

В результате проведенных экспериментальных исследований по корректировке скорости подачи ЭИ в зависимости от условий растворения удалось поднять производительность обработки детали в 1,5 раза после доработки системы управления скоростью подачи. Циклограмма, поясняющая работу данной системы, приведена на рис. 1.9 [23] .

Рис. 1.9. Управление скоростью подачи ЭИ «старт-стопный режим»:

V1 – пониженная скорость подачи ЭИ; V2 – повышенная скорость подачи ЭИ;

t1 – выдержка времени на останов подачи ЭИ от последнего в серии контакта;

t2 – выдержка времени на переключение с V2 на V1;

t3 – выдержка времени на переключение с V1 на V2 В начале обработки включается повышенная скорость подачи V2 .

При этом включается выдержка времени t2 при переключении с повышенной V2 на пониженную V1 скорости подачи ЭИ. Если очередное контактирование произойдет до окончания выдержки времени t2, то после останова включится пониженная скорость подачи V1. Если в течение выдержки t2 контактирования не будет, то после очередного останова включится повышенная скорость подачи V2. При прохождении контакта привод подачи выключается до тех пор, пока не закончится контактирование и выдержка времени t1. Если присутствует несколько контактов, то выдержка времени сбрасывается с каждым новым контактом и запускается снова. После включения скорости подачи V1 включается выдержка времени t3. Если в течение выдержки времени t3 контакта не было, происходит переключение на повышенную скорость подачи V2 .

К недостаткам управления скоростью подачи ЭИ относительно заготовки системы следует отнести импульсный характер нагрузок, возникающих в приводе подачи, и относительные колебания МЭП за счет остановок, которые могут вызвать неравномерное растворение во время формирования боковых стенок обрабатываемой детали. Однако, не смотря на определенные недостатки, данная система управления скоростью подачи ЭИ хорошо зарекомендовала себя при эксплуатации в электрохимических станках ЭС-4000 и ЭХФ-А1 .

1.4. Анодное поведение металлов и сплавов при электрохимическом формообразовании 1.4.1. Анодное растворение металлов Электрохимическое растворение (окисление) металлов и сплавов при наложении электрического поля в водных растворах электролитов, называемое также анодным растворением, протекает в стационарных условиях лишь в том случае, если скорость образования покрывающих поверхность слоев меньше или равна скорости их удаления с поверхности (растворения). Это называется областью активного растворения. В противном случае наблюдается пассивное растворение металла и сплава. Покрывающие слои новообразований (пленок), возникающие при анодной поляризации металла и сплава, могут представлять собой соли (средние и основные) с различной растворимостью в электролите. В этом случае анод выступает как электрод второго рода (Ме / МеА, А–). В случае солевых новообразований наблюдается взаимодействие металла с анионом электролита. Такой путь реакции включает в себя стадии перехода Ме в МеА, переноса ионов в МеА и перехода МеА в электролит. Покрывающие слои являются новообразованиями и в этом случае имеют в основном ионную проводимость [24]. Они также являются полупроводниками р-типа. Переход соли МеА в электролит может протекать как в кинетической, так и диффузионной области. Электрод второго рода (Ме / МеО, ОН–) может реализоваться, если наблюдается взаимодействие металла с растворителем (Н2О), либо с растворенным в электролите кислородом. Гидроксидные новообразования могут быть не только стехиометрического, но и нестехиометрического состава, т. е. состав пленок может непрерывно изменяться в широких пределах без образования новой фазы. Эти покрывающие слои обладают электронной проводимостью и являются полупроводниками n-типа. В этом случае скорость растворения металла очень мала, так как оно осуществляется через плотные оксидные пленки, т. е. металл находится в пассивном состоянии .

На металле, погруженном в раствор электролита, не имеющего с ним общего иона, устанавливается стационарный потенциал. При наложении анодной поляризации металл начинает окисляться (растворяться). Исследование кинетики анодной электрохимической реакции обычно начинается с установления связи между удельной скоростью процесса, выражаемой через плотность тока, и сдвигом потенциала от стационарного значения. Эта зависимость j = f() при потенциостатических условиях может быть трех видов .

Первый вид этой зависимости показан на рис. 1.10: в электролите скорость растворения металла с ростом анодного потенциала а вначале возрастает (область активного растворения аb), а затем начинает снижаться (область перехода металла в пассивное состояние bc). При дальнейшем росте анодного потенциала (участок cd) плотность тока растворения минимальна и не зависит от потенциала (в этом диапазоне потенциалов металл пребывает в пассивном состоянии). На участке de с ростом потенциала скорость растворения металла вновь повышается .

–  –  –

Рис. 1.10. Потенциостатическая анодная поляризационная кривая растворения металла, начинающегося с зоны активного растворения Данная область потенциала соответствует перепассивации металла или его переходу в так называемое транспассивное состояние. Механизмы растворения металла в активной области и в области перепассивации могут быть различны. Например, при растворении хрома в активной области образуется Сr3+, тогда как в области перепассивации – CrO2–. В некоторых случаях на участке de (см. рис. 1.10) может выделяться кислород. Переход от активного состояния к пассивному вследствие образования нерастворимой соли или слоя оксида (гидроксида) зависит, главным образом, от природы металла, хотя природа электролита также влияет на этот процесс .

На рис. 1.11 показан второй вид анодного растворения металла в потенциостатическом режиме. При смещении потенциала от стационарного в анодную сторону наблюдается область активного растворения металла (рост плотности потока j с увеличением ). По мере роста анодного потенциала возникает предельный анодный ток растворения металла. Можно указать несколько причин появления предельного тока. Так, предельный ток может возникнуть как следствие частного случая пассивности – отложения рыхлых твердых продуктов растворения металла (малорастворимых солей или гидроксидов металла, тормозящих анодный процесс). Такой случай наблюдается, например, при растворении вольфрама в гидроксиде калия. Появление предельного тока возможно из-за торможения доставки анионов к поверхности растворяющегося металла, если они, вступая во взаимодействие с поверхностными малорастворимыми новообразованиями, способствуют образованию комплексов «металл – анион», имеющих хорошую растворимость .

Рис. 1.11. Потенциостатическая анодная поляризационная кривая ас металла с областью предельного тока bc Первый и второй виды растворения характерны для таких металлов, как железо и его сплавы, вольфрам, хром, магний, кадмий, цинк, медь, серебро. Потенциалы образования соответствующих оксидов (гидроксидов) имеют положительные или малоотрицательные значения. По своей структуре оксидные (гидроксидные) пленки пористы, почти всегда кристалличны, обладают электронной проводимостью и низким (порядка нескольких омов) электрическим сопротивлением. Эти слои являются электронными полупроводниками .

Третий вид анодного растворения металла показан на рис. 1.12. При значительном смещении в анодную сторону от стационарного потенциала не происходит растворения металла, который находится в пассивном состоянии, и здесь идет рост оксидных пленок на аноде. При потенциале анодно-анионной активации а.а начинается активированное растворение металла, причем обычно происходит адсорбция агрессивных анионов (например, Сl–), которые разрушают оксид (гидроксид), взаимодействуют с анионами металла и приводят к образованию неустойчивых растворимых поверхностных комплексов «металл – анион» .

j e

–  –  –

Рис. 1.12. Потенциостатическая анодная поляризационная кривая се с областью de активированного растворения металла Этот вид растворения характерен для вентильных металлов (тантала, ниобия, титана, алюминия, циркония, гафния, ванадия, висмута, сурьмы) .

Перечисленные металлы являются d-элементами. Отдавая d-электроны, они превращаются в ионы с недостроенными внешними d-уровнями. Такие ионы вступают в реакцию с растворенным в воде кислородом либо с водой, образуя поверхностные оксидные пленки. Потенциалы образования соответствующих оксидов имеют большое (порядка 1 В) отрицательное значение. Анодные оксиды этих металлов не имеют пор, обладают ионной проводимостью, аморфны, отличаются высоким электрическим сопротивлением. Рост плотных оксидных слоев происходит в том случае, если через них возможна диффузия ионов растворяющегося металла и анионов, атомов кислорода или гидроксидных групп .

Анодное растворение металлов в водных растворах нейтральных солей характеризуется непосредственным участием в электродной реакции анионов солей и сопровождается предшествующей адсорбцией этих анионов на электроде с образованием поверхностных соединений вследствие адсорбционного взаимодействия с металлической поверхностью. Однако устойчивость этих адсорбционных соединений на поверхности непереходных и переходных металлов различна. Она обусловлена в значительной мере электронным строением металлов. Хемосорбционное взаимодействие у металлов с незавершенными d-подуровнями с анионами электролита много больше, чем у s-элементов, и, вероятно, связано в первом виде с образованием донорно-акцепторной связи [25]. При адсорбции анионов на поверхности переходных металлов анионы электролита выступают как доноры, а металлические ионы решетки – как акцепторы электронов. Характер адсорбционных поверхностных комплексов и прочность их связи с электродом наряду с природой металла зависят от природы электролита и анионов .

Перенос заряда на электрод обычно осуществляется с отрицательно заряженных анионных комплексов металла. Степень адсорбции молекул воды на электроде определяется наряду с гидрофильностью металла и концентрацией раствора электролита. Если прочность связи «металл – анион» в поверхностных комплексах достигает прочности связи в соответствующих индивидуальных соединениях, то данный комплекс может переходить в раствор. Влияние pH на скорость растворения металлов проявляется, по-видимому, непосредственно через гидролиз поверхностных адсорбционных комплексов как соединений, составленных слабым основанием и сильной кислотой .

Анодное растворение металлов в растворах нейтральных солей так же, как и в щелочах, является многостадийным гетерогенным процессом, состоящим из ряда последовательно-параллельных электрохимических и химических реакций [26]. Последняя стадия этого процесса независимо от природы металла и комплекса всегда связана с гетерогенной химической реакцией между слаборастворимым адсорбционном комплексом металла и анионом электролита, приводящей к образованию хорошо растворимых ионных соединений. При относительно высоких анодных потенциалах последняя стадия становится лимитирующей из-за малой скорости доставки анионов в зону реакции или отвода растворимых продуктов реакции в глубь раствора. Иногда замедленный ионный массоперенос в пленках, покрывающих растворяющийся анод, начинает сдерживать анодное растворение металла или сплава. При этом в потенциостатическом режиме наблюдается линейная зависимость между предельной плотностью тока и корнем квадратным из скорости наложения потенциала. Увеличение скорости перемешивания всегда влияет на плотность тока растворения в пассивном состоянии, обычно увеличивая его. Это свидетельствует о том, что пленки, от которых зависит пассивация, всегда содержат в своем составе анионы, входящие в состав раствора. Растворимость их зависит от скорости потока, чего нельзя сказать о чисто оксидных пленках. В пассивном состоянии металла гидроксиды дегидратируются и превращаются в оксиды металлов .

Применение интенсивной вынужденной конвекции в ряде случаев предотвращает солевую пассивацию металлических анодов. Диффузионно-миграционные ограничения сопровождаются процессами анодного растворения металлов в широком диапазоне анодных потенциалов, и лишь при малых анодных потенциалах процесс осуществляется в кинетической и смешанной областях переноса ионов металла .

Использование интенсивной вынужденной конвекции позволяет существенно расширить область потенциалов, в которой действуют законы электрохимической кинетики, и установить тонкий механизм анодного растворения металлов [27]. В условиях высокоразвитой турбулентности (Re = 4 · 105) предельная плотность тока пропорциональна линейной скорости потока. При линейной скорости потока до 50 м/с можно интенсифицировать процессы анодного растворения металлов, протекающие в диффузионной области и ускорить их в 15–20 раз, если массообмен совершается в жидкой фазе .

1.4.2. Влияние термической обработки на удельный съем металла Изменения структуры материала, вызванные термической обработкой, существенно влияют на удельный съем металла (потеря массы металла на единицу количества электричества) и на скорость его растворения .

Установлено заметное влияние режима термической обработки углеродистых сталей (У8, ХВГ) на величину удельного съема [28]. Удельный съем повышается с ростом содержания ферритного зерна и при переходе от крупнопластинчатого перлита к зернистому. Возрастание скорости анодного растворения закаленных сталей по сравнению со скоростью растворения отожженных сталей объясняется уменьшением содержания цементита (Fe3C) с плохой анодной растворимостью. Вообще, как правило, уменьшение зерна (блоков мозаики) ведет к росту удельного съема, что объясняется увеличением протяженности границ зерен и, следовательно, увеличением активных центров растворения .

1.4.3. Анодное растворение сплавов и композиционных материалов В работе В. И. Петренко «Определение минимального припуска под обработку при наличии зависимости выхода металла по току от плотности тока» [29] было проведено систематическое изучение высокоскоростного анодного растворения сплавов системы Ni–Cr с содержанием хрома 2,5;

10; 20; 30; 50 масс.% в растворах хлорида натрия (NaCl), сульфата натрия (NaSO4) и нитрата натрия (NaNO3). Из фазовой диаграммы видно, что эти сплавы при содержании хрома до 25 масс.% представляют собой -твердый раствор, а при более высоких содержаниях – - и -твердые растворы, существование которых обусловлено взаимной растворимостью компонентов .

При малых содержаниях хрома сплавы растворяются при тех же потенциалах, что и чистый никель в том же растворе, т. е. потенциалах, более отрицательных, чем потенциал начала растворения чистого хрома, причем последний переходит в раствор из сплава в виде соединений Cr (III) (по результатам химического анализа раствора). При содержании хрома в сплаве примерно 25 масс.% сплавы растворяются при тех же потенциалах, что и чистый хром, с образованием в растворе соединений Cr (IV) .

При анодном растворении сплавов никеля с высоким содержанием хрома в растворе NaNO3 выход по току высок и не зависит от плотности тока. Для таких сплавов теряется возможность повышения степени локализации растворения, повышения точности ЭХФ за счет использования особенностей анодно-анионной активации .

В работе коллектива авторов «Электрохимическая обработка металлов» [30] проведено исследование высокоскоростного анодного растворения сплава системы Ni – 10 % Cr – Mo с содержанием молибдена от 0 до 20 масс.%. При увеличении содержания молибдена до 10 % приблизительно наблюдается резкое увеличение анодных потенциалов а, при котором происходит растворение сплава в NaCl и степень окисления хрома увеличивается от 3 до 6. Растворение сплава в NaNO3 происходит при относительно высоких а. Повышение содержания молибдена до 10 масс.% и более приводит к исчезновению возрастающей зависимости выхода по току от плотности тока, и, следовательно, к снижению точности анодного ЭХФ .

Основными фазовыми составляющими сплавов на Ni – Cr-основе (легированных алюминием, титаном, ниобием, кобальтом и др.) являются твердый раствор на основе Ni – Cr и упрочняющая фаза -фаза (например, нитрид алюминия (Ni3Al)). Анодное поведение этих составляющих в электролитах типа NaNO3 следующее: матрица сплава (твердый раствор) из-за меньшей склонности твердого раствора к пассивации по сравнению с интерметаллидом растворяется при менее положительных потенциалах, чем

-фаза; при растворении матрицы сплава частицы -фазы, находящиеся в пассивном состоянии, теряют связь с твердым материалом и механически выкрашиваются из него [31–33]. Такое выкрашивание, с одной стороны, повышает шероховатость обработанной поверхности, с другой, повышает скорость съема с поверхности обрабатываемой заготовки, а также снижает энергоемкость процесса, так как на удаление -фазы в сплаве не расходуется электричество. С увеличением содержания -фазы в сплаве увеличивается и скорость его ЭХРО Va в массовых единицах в единицу времени

Va = (kм · i) / (1 – n),

где n – сплав;

kм – электрохимический эквивалент матрицы сплава, которая растворяется со 100 %-м выходом по току .

Сплавы Cr – W являются однофазными при содержании вольфрама до 16–17 масс.% (твердый раствор), а при более высоком содержании – двухфазными (два твердых раствора) [34]. Высокоскоростное электрохимическое растворение сплавов этой системы при содержании вольфрама до 50 масс.% исследовалось в работе В. Ф. Орлова «Электрохимическое формообразование» [35]. Увеличение содержания вольфрама в сплаве сверх 20 масс.% приводит к увеличению пассивационных ограничений скорости растворения сплавов в нейтральных растворах. Обнаруженные закономерности растворения сплавов при сравнительно высоких анодных потенциалах свидетельствуют о наличии более широких возможностей получения высоких скоростей электрохимического растворения сплавов, чем это следует из имеющихся представлений о закономерности растворения чистых металлов, входящих в состав сплава. Реализация этих возможностей зависит от состава электролита (смесь гидроксида натрия (NaOH) c NaCl для сплавов Cr – W и NaNO3 для сплава Ni – W) .

Твердые сплавы на основе карбида вольфрама (WC) состоят из двух фаз – зерен WC и Со-связки (точнее, Со-связка представляет собой твердый раствор WC в кобальте). Фазы этих твердых сплавов сильно различаются по своим электрохимическим свойствам .

Поскольку WC интенсивно растворяется в растворах щелочей, а кобальт – в растворах солей, целесообразно использование в качестве электролитов щелочно-солевых смесей [36–38]. Если рассмотреть зависимости скорости растворения сплавов WC – Co (а также их компонентов – WC и кобальта) от количества NаОН, введенного в раствор NaNO3 с концентрацией 100 г/л, то при увеличении концентрации NаОН происходит ускорение растворения WC и замедление растворения кобальта, а зависимость Vр для твердого сплава имеет максимум при определенном соотношении концентраций компонентов раствора. Приблизительно при этом же соотношении концентраций шероховатость обработанной поверхности сплава имеет минимум .

Так как максимум скорости растворения Vр и минимум микрошероховатости поверхности Rz имеют место в растворах близких составов, то для ЭХРО твердого сплава легко выбрать оптимальный состав электролита: 50–75 г/л NaOH и 100–125 г/л NaNO3 .

1.5. Качество поверхности и точность при анодном электрохимическом формообразовании 1.5.1. Механизм формирования микрогеометрии поверхности при анодном растворении металлов и сплавов Качество поверхности определяется как микрогеометрией поверхности, так и физико-механическими параметрами поверхностного слоя – структурой, микротвердостью и др. В этой главе рассмотрено влияние различных факторов на формирование микрогеометрии и морфологии поверхности. Микрогеометрия поверхности определяется ее шероховатостью. Количественной характеристикой шероховатости является либо среднее арифметическое отклонение профиля – величина Ra в микрометрах, либо высота неровностей Rz в микрометрах .

Величина Ra – cреднее значение расстояний (y1, y2, …, yn) точек измеренного профиля до его средней линии – определяется выражением Rа =, l y dx l где l – базовая длина .

Высота неровностей Rz есть среднее расстояние между находящимися в пределах базовой длины пятью высшими точками выступов hH и пятью низшими точками впадин hR, измеренное от линии, параллельной средней линии:

–  –  –

Ниже описан механизм формирования микропрофиля, а, следовательно, и шероховатости при анодном растворении металла. Согласно исследованию А. В. Рыбалко [39], у поверхности анода в пределах диффузионного слоя образуется плотный слой продуктов реакции, характеризуемый повышенным электрическим сопротивлением по отношению к остальному электролиту. Вследствие естественной шероховатости микропрофиль поверхности отличается от линейного и представляет собой сложную зигзагообразную кривую. Толщина диффузионного слоя электролита во впадинах вп будет больше, чем на выступах выс. Плотность тока анодного растворения на впадинах будет существенно меньше, чем на выступах. На дне впадины плотность тока определяется омическим сопротивлением и будет тем меньше, чем больше ее глубина. Наряду с этим при одной и той же глубине впадины H плотность тока на дне впадины будет зависеть и от расстояния между двумя соседними выступами l, т. е. от угла (рис. 1.13) .

При уменьшении угла происходят перекрытие впадины диффузионным слоем вп и сильное возрастание диффузионных ограничений процесса на дне впадины. С увеличением угла эти ограничения уменьшаются. Средняя высота H между экстремальными точками микропрофиля поверхности зависит от исходной шероховатости поверхности анода. Изделия, подвергаемые электрохимической обработке после токарной операции и чистового фрезерования, характеризуются шероховатостью 5–6 класса и имеют Н, равный приблизительно 12 мкм. При такой механической обработке плотности тока на выступе и впадине в хлоридном растворе различаются примерно в 5 раз, а в нитратном – примерно в 8 раз и более .

выс l

H вп

Рис. 1.13. Характер начальной геометрии микропрофиля (фрагмент):

= 2arc tgl / 2H; вп, выс – соответственно глубина впадины и выступа С ростом потенциала анода это различие возрастает. Иногда оно оценивается коэффициентом Kj = jвп / jвыс. Чем меньше Kj, тем больше различаются локальные плотности тока на впадине jвп и выступе jвыс. Применение пассивирующих электролитов и повышение анодного потенциала снижают коэффициент Kj. В то же время повышенные плотности тока на выступах по сравнению с впадинами приводят к большей скорости растворения выступов и, значит, к выравниванию профиля поверхности. Следовательно, коэффициент Kj позволяет оценивать выравнивающее свойство процесса анодного растворения. Уменьшение Kj ведет к сглаживанию поверхности, а также начальная геометрия микропрофиля влияет на скорость выравнивания профиля. Наибольшая скорость выравнивания наблюдается при малых углах. Значит, исходная форма границы диффузионного слоя влияет на формирование микропрофиля, образующегося на поверхности в результате электрохимической обработки .

Таким образом, формирование микрогеометрии поверхности в процессе анодного растворения металла определяется главным образом химическим и фазовым составом, а также структурой металла; кроме того, шероховатость получаемой поверхности зависит от состава и концентрации электролита, его температуры, электрического режима обработки металла .

1.5.2. Качество поверхности при анодном растворении сплавов в водном растворе нитрата натрия Особенности формирования поверхности и ее шероховатости при анодном растворении сплавов, в том числе и сталей, связаны с микрогетерогенностью этих систем и негомогенностью структуры поверхности и, следовательно, с неоднородностью химических или электрохимических свойств отдельных участков поверхности [40]. Это, как правило, многофазные системы, основами которых являются твердые растворы. Структура инструментальных сталей У8 и ХВГ представляет собой перлит, состоящий из феррита (-твердого раствора) и цементита (Fe3C). В конструкционной аустенитной стали 08Х18Н10Т присутствуют и избыточные фазы, в основном карбиды железа, хрома и титана, также могут быть и интерметаллидные фазы (-фазы и -феррит) [41]. Карбиды обычно присутствуют в больших количествах, чем другие соединения. Титан в коррозионностойких сталях находится в виде карбида (TiC) и частично может присутствовать в виде карбонитрида (TiCN). Частицы последнего равномерно распределены по структуре стали 08Х18Н10Т в виде тонких пластинок, размер которых от 1 до 5 мкм. Главное назначение титана – стабилизировать сталь против межкристаллитной коррозии за счет карбида титана. Скорость растворения титановой стали возрастает вблизи мест концентрации TiC. Избирательное растворение титана как бы катализирует растворение этой стали [42]. Хром с углеродом образует карбиды Cr7C3 и Cr23C6. Железо может входить в карбиды, образуя совместные железо-хромовые карбиды (CrFe)23C6 .

Наложение определенного анодного потенциала на поверхность сплава приводит к принудительному перераспределению плотности тока между микроучастками, представляющими различные фазы. Вызванные этим различия скорости растворения на микроучастках обусловливают образование микронеровностей на электродной поверхности. Высота микронеровностей зависит не только от размера зерен и предварительной механической и термической обработки, но и от анодного потенциала поверхности и анионного состава электролита. Так, например, при анодном растворении крупнозернистой коррозионностойкой стали 08Х18Н10Т в нитратах наблюдается преимущественное растворение избыточных карбидных фаз – карбида хрома и карбида титана. Это приводит к возникновению на поверхности частых мелких углублений. Наблюдаемая морфология является следствием равномерного распределения избыточных фаз в виде мелких образований, располагающихся как по границам зерен, так и в их объеме. Большинство сталей, имеющих однородную фазовую структуру (таких, как ХВГ, 50-РА, ОХНЗМ и др.), растворяются с питтингообразованием, что в значительной степени определяет величину микрошероховатости их поверхности [43] .

Анализ качества поверхности различных сталей после обработки показывает следующее. Обычно растворение сталей всех марок при электрохимической обработке происходит с образованием питтингов, размер и характер которых в первую очередь определяются потенциалом анода, а во вторую – природой аниона. Растворение в диапазоне потенциалов активной области растворения характеризуется мелкодисперсной питтинговой поверхностью .

По мере роста потенциала эти питтинги разрастаются в диаметре, несколько углубляются и сливаются, число их на единицу поверхности уменьшается, поверхность принимает кратерообразный характер и наблюдается «волнистость» (область транспассивного растворения). В области пассивного растворения плотность питтингов наименьшая, и расположены они в местах образования пор в пассивирующей пленке. С ростом анодного потенциала качество поверхности, как правило, улучшается. При использовании раствора хлорида глубина питтингов так же, как и их плотность, максимальна, а в растворах нитратов минимальна. Известно ингибирующее действие нитратионов на питтинговую коррозию железа, углеродистой и коррозионностойкой сталей. В нитратном растворе абсолютная величина Rz при обработке нержавеющей стали 08Х18Н10Т в 2–4 раза ниже, чем в хлоридном [41]. Растравливание поверхности в хлоридном растворе из-за агрессивности хлориона в 2–2,5 раза больше, чем в нитратном. Глубина растравливания с ростом анодного потенциала снижается (в среднем на 15 % с ростом потенциала на 1 В). Использование импульсного режима обработки существенно улучшает качество поверхности обрабатываемого сплава: резко уменьшается глубина растравливания металла по границам зерен .

Изучение влияния параметров импульсной ЭХРО в нитратных растворах на качество поверхности показывает следующее. Рост амплитуды импульсного потенциала приводит к улучшению качества поверхности: Rz монотонно убывает, достигая 0,2 мкм; растравливание по границам зерен уменьшается. Имеет место послойный съем металла, хотя отдельные питтинги наблюдаются даже при сравнительно высокой чистоте поверхности .

Однако увеличение межэлектродного промежутка при росте напряжения в МЭП снижает точность обработки. Короткие импульсы при больших скважностях в нитратных растворах улучшают качество поверхности вследствие усиления массообмена и создания условий, благоприятствующих выравниванию микропрофиля поверхности. Качество поверхности существенно улучшается при использовании вибрирующего катода с колебаниями, направленными нормально к поверхности анода. Эффект выравнивания микрорельефа анода при вибрации усиливается, если импульс потенциала анода подается при максимальном сближении электродов и синхронизирован по частоте с колебаниями катода. При этом на выступах рельефа депассивация будет осуществляться в большей степени, чем на впадинах, что и является причиной выравнивания микропрофиля. Это возможно не только в диффузионной области анодного растворения, но и в кинетической. В последнем случае скорость растворения «гребешков» станет больше вследствие большей энергии, которую под действием механических колебаний получают атомы на выступах кристаллической решетки по сравнению с атомами впадин. Применение вибрирующего катода повышает чистоту поверхности при анодном растворении на 1–2 класса. Качеством поверхности определяются и механические свойства металлов. Усталостная прочность и долговечность изделий из коррозионностойкой стали незначительно увеличиваются с повышением снимаемого припуска в процессе анодного растворения и достигают максимальных значений по сравнению со шлифованными образцами при снятии припуска 0,5 мм. Предел выносливости повышается при этом на 1,7 · 107 Н/м2. При механическом шлифовании высокопрочных сталей типа 30ХГСА, Х12МФ и некоторых других на их поверхности образуются шлифовочные прижоги и риски, ликвидация которых при анодном растворении повышает долговечность и предел усталости в 1,5–2 раза. При анодном растворении конструкционных сталей типа 40ХНМА, 30Х13 и других за счет удаления наклепанного слоя примерно на 10–20 % снижается усталостная прочность деталей по сравнению с механически обработанными [44] .

Итак, качество поверхности после ЭХФ в значительной мере определяет прочностные и коррозионные свойства изделий. Шероховатость определяется комплексом параметров. Главными из них являются химический и фазовый составы металла или сплава, а также их структура, проявляющаяся в кристаллографических параметрах решетки. Именно они определяют электрохимическую гомогенность или гетерогенность материала. В случае гомогенности обрабатываемого сплава создаются предпосылки для высокого класса чистоты поверхности, в случае его гетерогенности результатом выступает пониженное качество поверхности. Управлять качеством поверхности при ЭХФ определенного металла или сплава можно, подбирая электролит и электрический режим обработки .

1.5.3. Локализация процесса анодного растворения и точность анодной обработки металлов Из всего спектра наиболее доступных и безопасных нейтральных электролитов водный раствор азотнокислого натрия обладает наибольшей локализующей способностью [45]. Локализующая способность является антиподом рассеивающей способности, обеспечивающей равномерность растворения. Критерий высокой локализующей способности – выполнение двух условий: поляризуемость металла, выраженная математически da / dj 0, и удельный съем металла (убыль массы на единицу протекшего количества электричества), измеряемый в г/Кл, которые с ростом анодного потенциала должны расти, т. е. d / dа 0. Выход по току пропорционален удельному съему и связан с ним уравнением = ( / Э) 100 .

Анодное поведение одного и того же металла в различных электролитах существенно различается. Так, например, для стали ХВГ стационарный потенциал в растворе хлорида натрия на 1 В отрицательнее, чем в растворе нитрата натрия (рис. 1.14) [46] .

Рис. 1.14.

Анодные поляризационные кривые стали ХВГ при анодном растворении в водных растворах:

температура электролита 20°C, скорость подачи электролита в МЭП 3 м/с;

1 – NaCl; 2 – NaNO3 (8 %-е растворы); j – плотность тока; а – анодный потенциал В хлоридных растворах незначительное отклонение потенциала в анодную область ведет к росту тока анодного растворения. Поляризационные кривые j = f (а) в нитратных растворах имеют S-образную форму; в этих растворах резкое возрастание скорости растворения начинается при потенциалах на 1,5 В положительнее стационарного. При достижении этих потенциалов, резко активизирующих поверхность металла, растворение сопровождается ничтожной поляризуемостью da / dj. Малая поляризуемость металла имеет место на очень коротком участке анодных потенциалов .

При более высоких потенциалах ток растворения приближается к предельному значению (при данной концентрации, температуре и скорости потока) и далее практически не зависит от потенциала .

Предельный ток при анодном растворении металла в режиме высоких потенциалов обусловлен диффузионно-миграционными ограничениями. Специальными исследованиями по точности формообразования установлено, что в диапазоне потенциалов, соответствующем наименьшей поляризуемости (d / dj 0), наблюдается наибольшая локализация процесса анодного растворения и наименьшая погрешность формы изделия. Таким образом, поляризуемость металла служит критерием локализации процесса электрохимической обработки металлов. В растворах хлористого натрия, напротив, агрессивные Cl–-ионы взаимодействуют с решеткой металла уже при стационарном потенциале. Это энергичное взаимодействие при значениях a, близких к стационарному потенциалу, настолько ослабляет связь поверхностных атомов металла с решеткой, что скорость перехода атомных слоев в раствор сильно возрастает. При этом интенсивное растворение поверхностных слоев непрерывно поддерживает поверхность металла чистой в состоянии, аналогичном «свежезачищенному» под слоем раствора .

Действительно, поверхность металла после анодного растворения в растворе хлоридов блестящая, в то время как в нитратных растворах – матовая, со следами новообразований. В растворе хлорида натрия поляризуемость на всем протяжении анодных потенциалов составляет значительную положительную и отрицательную величину, но нигде не стремится к нулю, как в нитратных растворах (см. рис. 1.14). Вследствие этого рассеивающая способность в хлоридных растворах во всем диапазоне анодных потенциалов высокая, локализующая же способность – низкая, и точность формообразования гораздо меньше, чем в нитратных растворах .

Для большинства аноднорастворяющихся металлов в различных электролитах у зависимости = f(a) имеется восходящий участок: удельный съем металла с ростом анодного потенциала возрастает. Этот характерный диапазон анодных потенциалов неодинаков для различных металлов и электролитов, но он всегда имеет место. В данном диапазоне потенциалов происходит интенсивное разрушение кристаллической решетки металла, названное явлением анодно-анионной активизации.

Удельный съем при растворении большинства исследованных сталей в растворах нитрата натрия в диапазоне потенциалов 1,8–3 В с ростом потенциала анода возрастает:

d / da 0; d2 / da2 0. При потенциалах свыше 3 В d / da 0, при этом съем металла практически не меняется с увеличением анодного потенциала .

При небольших анодных потенциалах в растворах нитратов низкий удельный съем металла обусловлен образованием оксидов (гидроксидов) металла и выделением молекулярного кислорода за счет разряда молекул воды .

По мере роста анодного потенциала, как показывают результаты скоростной киносъемки, количество молекулярного кислорода, выделяющегося на аноде, резко уменьшается. Это обусловлено тем, что с ростом анодного потенциала адсорбционная способность NO3–-ионов (или нитрат-ионов) сильно возрастает. Все это приводит к образованию легкорастворимых адсорбционных поверхностных комплексов металла с NO3--анионами. Таким образом, с ростом потенциала активирующее действие нитрат-ионов, а следовательно, и съем металла с ростом потенциала в растворах нитратов растут. По мере того, как выход металла по току в нитратном растворе достигает 100 % (a 3 В), значение стабилизируется так же, как и удельный съем металла, и уже больше не меняется с ростом анодного потенциала .

Важно подчеркнуть, что локализующая способность электролита, а следовательно, и точность обработки могут быть существенно повышены, если использовать импульсный нестационарный электролиз. За счет изменения параметров прямоугольных импульсов потенциала (длительности импульса, длительности паузы, скважности) можно изменить ход поляризационных кривых, а следовательно, и поляризуемость металла. При этом становится различным также вид зависимости удельного съема от анодного потенциала для стационарного и импульсного электролиза. Так, например, при анодном растворении жаропрочного никелевого сплава ЖС-26 в 10 %-м водном растворе NaNO3 при переходе от стационарного потенциостатического электрического режима к импульсному поляризуемость сплава уменьшается (рис. 1.15) [47], и это уменьшение тем существеннее, чем короче длительность импульса tимп и больше скважность S .

Для этого сплава при длительности импульса 5 мс и скважности 3 поляризуемость становится равной нулю da / dj = 0. Сплав в этих условиях растворяется с наибольшей локализацией и наивысшей точностью формообразования. Нужно отметить также следующее. При импульсном электролизе растворение зачастую происходит только в области активного растворения без области пассивации. В диапазоне потенциалов, при котором в условиях стационарного электролиза металл переходит в пассивное состояние или в нем пребывает, при импульсном электролизе происходит активное растворение металла .

Рис. 1.15.

Анодные потенциостатические поляризационные кривые жаропрочного сплава ЖС-26 в 10 %-м растворе NaNO3 при 20°С:

1 – стационарный режим; 2 – tимп = 10 мс, tпауз = 10 мс, S = 2; 3 – tимп = 5 мс, tпауз = 10 мс, S = 3;

j – средняя плотность тока импульсно-потенциостатического режима Отсутствие пассивного участка при импульсном растворении объясняется значительным ослаблением адсорбции и ускорением процесса десорбции пассивирующих агентов при импульсно-потенциостатическом режиме. При диффузионном контроле, где главным образом и происходит процесс анодного растворения металлов, импульсный режим ускоряет процессы массопереноса в паузах между импульсами и препятствует созданию условий для пассивации металла. Кроме того, нормальные колебания одного из электродов (катода) улучшают массообмен за счет конвективнодиффузионных процессов и снижают концентрационную поляризацию. Колебания катода способствуют созданию идентичных гидродинамических условий во всех точках обрабатываемой сложнопрофилированной поверхности и надежной эвакуации продуктов реакции из зоны обработки. Особенно эффективен способ синхронизации частоты механических колебаний катода с частотой следования электрических импульсов потенциала, когда этот импульс подается на анод в момент максимального сближения электродов [48, 49]. При максимальном удалении электродов следует пауза потенциала и осуществляются промывка межэлектродного промежутка, а также удаление продуктов анодного растворения и газообразного водорода, получаемого при катодной реакции. Здесь реализуется прерывистая гидродинамика процесса и при минимальном сближении электродов прокачка электролита отсутствует .

Импульсное наложение потенциала резко повышает точность формообразования. Так, обработка стали Х12МФ в 12 %-м растворе нитратного электролита импульсами напряжения амплитудой Uа = 6 В, длительностью tимп = 0,002 с, скважностью S = 8 с частотой вибрации заготовки = = 50 Гц и амплитудой вибрации Ав = 0,32 мм привела к точности обработки, равной 0,01 мм [50] .

Таким образом, для высокопроизводительного анодного растворения, обеспечивающего высокую локализацию процесса и повышенную точность обработки, необходимо использовать импульсно-циклический электролиз, проводимый в водных растворах нитрата натрия .

1.5.4. Наводороживание поверхностных слоев металлов и сплавов при электрохимической размерной обработке Известно, что эксплуатационные свойства деталей после ЭХРО в значительной степени определяются качеством поверхностного слоя, полученного в результате обработки, т. е. высотой и формой микронеровностей, химическим составом, структурными особенностями, газонасыщением (например, наводороживанием) и т. д. Процесс ЭХРО проводят, как правило, в водных растворах, что может приводить к наводороживанию поверхности и резкому ухудшению эксплуатационных свойств деталей. Так, некоторыми исследователями (В. В. Бородин, А. В. Никифоров, В. А. Шмаков [51–53]) утверждалось, что экспериментально наблюдаемое наводороживание титановых сплавов при ЭХРО является следствием выделения водорода на катоде-инструменте. Однако, как показано в работах А. И. Дикусара и О. А. Сениной [54, 55], наводороживание происходит и при разделенных электродных пространствах, причем практически с той же интенсивностью, что и при неразделенных .

Известно, что восстановление иона водорода (гидроксония) на аноде происходит, по крайней мере, в две стадии, включающих в себя образование адсорбированного атомарного водорода и его удаление по механизму рекомбинации или электрохимической десорбции [56]. Известно также, что на металлах, хорошо адсорбирующих водород (например, на палладии), а также анодноактивированных металлах группы железа, замедленной является вторая стадия. В этом случае удаление адсорбированного на межфазной границе атомарного водорода связано не только с образованием газообразного молекулярного водорода, но и с его диффузией в металл и формированием поверхностного слоя, насыщенного водородом. Например, при использовании титана это явление приводит образованию пленки гидрида титана (TiH4) на поверхности обрабатываемой детали. В работе А. И. Дикусара [57] показано, что процесс наводороживания является следствием поверхностного восстановления иона гидроксония до воды, протекающего при замедленности стадии удаления адсорбированного атомарного водорода. Причем, из реакций, конкурирующих с реакцией восстановления гидроксония, наибольший интерес представляет реакция восстановления NO3–. При этом, если катодной составляющей данного процесса является восстановление Н3О+, то будет происходить наводораживание, и, наоборот, наводороживание может быть снижено до минимума вследствие замены реакции восстановления гидроксония реакцией восстановления NO3– .

Следует заметить, что в реальных условиях высокоскоростной импульсно-циклической ЭХРО сложнопрофильного инструмента практически невозможно установить, какие электродные процессы идут на самом деле. Это происходит из-за малой величины межэлектродного промежутка (0,01–0,02 мм) при синхронизации наложения импульса технологического напряжения и вибрации катода-инструмента в момент его максимального сближения с анодом-заготовкой. Вследствие этого, а также из-за высокой плотности тока, в межэлектродном промежутке поток электролита превращается в парогазовую смесь, которую практически невозможно воспроизвести в модельных условиях для изучения традиционными методами электрохимических исследований. Поэтому наиболее предпочтительным подходом к решению данной проблемы является изучение поверхностных слоев, в результате которого можно сформулировать определенную точку зрения на реально происходящие приэлектродные процессы. Одним из наиболее точных и весьма чувствительных методов анализа физико-механических свойств поверхностного слоя металлов и сплавов, образующегося в результате ЭХРО, оказываются измерения микротвердости, которые позволяют сделать выводы о наводороживании поверхностных слоев. Измерение значений микротвердости поверхностных слоев инструментальных сталей, формирующихся в результате импульсно-циклической ЭХРО в нитратных водных электролитах, существенно облегчает понимание доминирующих химических реакций в прикатодном слое .

Как известно, упрочнение поверхностных слоев титановых сплавов при обработке резанием обусловлено наклепом в результате пластической деформации при резании и физико-химическими процессами поглощения титаном газов из окружающей среды. Наклепанный слой имеет толщину 0,06–0,3 мм, степень наклепа составляет 120–150 % [58]. При электрохимической обработке непосредственный контакт электрода-инструмента с обрабатываемой деталью отсутствует, и изменение механических свойств в основном связано с газонасыщением поверхностного слоя [59]. При обработке шлифованием высокопрочных сталей типа 30ХГСНА, ВНС-5 и некоторых других видов стали на их поверхности образуются шлифовочные прижоги и риски. Их ликвидация при анодном растворении повышает долговечность и предел усталости в 1,5–2 раза [37]. При анодном растворении низколегированных и конструкционных сталей типа 40ХНМА, 12Х8НА и других за счет удаления наклепанного слоя примерно на 10–20 % снижается усталостная прочность деталей по сравнению с механически обработанными. Если же после анодного растворения применять гидродробеструйное упрочнение поверхности деталей, создающее поверхностный наклеп и напряжение сжатия, то предел усталости повышается до 6 108 вместо 5,2 108 Н/м2 (после механической обработки резанием) .

Таким образом, работы по повышению точности ЭХРО привели к созданию новых вариантов обработки, основанных на применении импульсных электрических режимов и периодического (циклического) движения электрода-инструмента. Как показывает практика, применением импульсно-циклической ЭХРО можно добиться десятикратного увеличения точности анодного ЭХФ сложных поверхностей по сравнению с ЭХФ с применением ЭХРО с постоянным напряжением. Преимущественным является способ электрохимической обработки вибрирующим катодом, при котором импульс технологического напряжения формируется на подводе электрода-инструмента к поверхности заготовки. Причем, в начале импульса вероятность пробоя межэлектродного промежутка незначительна, несмотря на относительно высокое напряжение, поскольку МЭП большой, а в конце импульса, при максимальном приближении электрода-инструмента к поверхности заготовки, значение напряжения относительно мало (синусоида напряжения с естественным спадом). Удаление продуктов обработки (газа, шлама) и выделяемого тепла производят в паузе между импульсами, во время которой электрод-инструмент отводят от поверхности заготовки. Из-за увеличения межэлектродного промежутка уменьшается гидравлическое сопротивление МЭП, что при постоянном перепаде давления увеличивает скорость течения электролита и интенсивность выноса продуктов ЭХФ. Лимитирующей стадией процесса съема металла при малых межэлектродных промежутках (0,02–0,03 мм), часто приводящей к короткому замыканию, является эвакуация продуктов обработки из межэлектродного промежутка. Система СПИД испытывает наибольшие динамические нагрузки, что приводит к возрастанию вероятности пробоя межэлектродного промежутка. Импульсно-циклический метод позволяет устанавливать скорость подачи ЭИ относительно заготовки, равной скорости растворения материала заготовки, минимизировать межэлектродный промежуток, т. е. добиться максимальной точности и производительности ЭХФ .

Для достижения этого система СПИД должна быть жесткой, т. е. не иметь люфтов, так как к концу импульса технологического напряжения создаются условия максимального газонаполнения межэлектродного промежутка .

Контрольные вопросы

1. Каковы физико-химические основы процесса анодного электрохимического формообразования?

2. Каковы преимущества и недостатки метода ЭХРО и сфера его применения?

3. Каковы основные условия проведения процесса анодного ЭХФ?

4. Каковы требования при выборе электролита для анодного ЭХФ?

5. Каков механизм анодного растворения металлов и сплавов?

6. Каков механизм формирования микрогеометрии поверхности при анодном растворении металлов и сплавов?

7. Каким образом происходит наводороживание металлов при ЭХРО?

8. Каким образом водный раствор хлористого натрия, применяемый в качестве электролита, влияет на коррозию оборудования, используемого при ЭХРО?

Контрольные задания

1. Осуществите выбор режима анодного ЭХФ подвижными ЭИ в зависимости от требований к точности и производительности:

а) для производительного процесса с большими по площади обрабатываемыми поверхностями;

б) для высокоточного формообразования рабочих поверхностей чеканочных штампов;

в) для операций глубокой прошивки фасонных полостей .

2. Выберите систему управления процессом анодного ЭХФ на малых межэлектродных промежутках для изготовления рабочих полостей литьевых форм. Обоснуйте свой выбор .

3. Выберите источник питания электрохимического станка для ЭХФ высокоточного инструмента и деталей машин. Обоснуйте свой выбор .

4. Проведите сопоставительный анализ влияния химического состава электролитов на точность анодного ЭХФ сплавов черных металлов на примере водных растворов азотнокислого натрия и хлористого натрия .

Глава 2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ АНОДНОГО

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ

СЛОЕВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

–  –  –

2.1.1. Факторы, влияющие на повышение точности анодного электрохимического формообразования Одним из наиболее эффективных способов повышения точности электрохимического формообразования является обработка вибрирующим катодом с формированием импульса технологического напряжения на подводе электрода-инструмента к поверхности заготовки. Причем, положительный эффект достигается за счет определенных факторов [60] .

Один из них – это создание условий, не допускающих роста напряженности электрического поля в течение действия импульса технологического напряжения с уменьшением межэлектродного промежутка и позволяющих удерживать напряжение в конце импульса на уровне, который исключает поддержание дуги короткого замыкания в межэлектродном промежутке, обеспечивает безопасную работу даже при неблагоприятных условиях обработки, что дает возможность приблизить импульс к нижней точке колебаний электрода-инструмента, повысить точность и производительность обработки .

Другой – создание особых условий в межэлектродном промежутке в единичном цикле обработки. Под действием вибрирующего электрода-инструмента с приближением к нижней точке колебаний импульсное давление электролита в зоне обработки может намного превышать давление, развиваемое насосом рабочей станции, что приводит к растворению выделившегося в электролите газа и поддерживает электропроводность электролита в течение импульса. Такой подход дает возможность достичь высокой точности обработки (как и повторяемости) без стабилизации входных параметров, таких как температура электролита, давление, водородный показатель .

И третьим фактором, влиящим на точность ЭХРО является согласование формы импульса технологического напряжения с изменением межэлектродного промежутка в сочетании с крутым передним и задним фронтами импульса, что позволяет поддерживать потенциал анодного растворения в требуемой области поляризационной кривой, что ведет к повышению точности и производительности обработки .

2.1.2. Схема реализации высокоточного анодного электрохимического формообразования Учитывая особые условия обработки, которые создаются в межэлектродном промежутке под действием вибрирующего электрода-инструмента, а также относительно малую длительность импульса технологического напряжения, для обеспечения стабилизации тока в импульсе необходимо поддерживать следующее соотношение:

(U – ) / а = const, где U – технологическое напряжение;

– перенапряжение на электродах;

а – величина межэлектродного промежутка .

Из этого условия следует, что при обработке вибрирующим электродом-инструментом с импульсом, сформированным на подводе электродаинструмента к поверхности заготовки для стабилизации тока в импульсе, скорость относительного уменьшения напряжения должна быть равна относительной скорости уменьшения межэлектродного промежутка. Это позволяет теоретически получить прямоугольную форму тока, удерживая постоянство анодного потенциала в течение импульса, обеспечить постоянство напряженности электрического поля на безопасном уровне при максимальной локализации процесса. Для поддержания плотности тока в импульсе в течение всей обработки необходимо жесткость механической системы СПИД согласовать с жесткостью генератора униполярных импульсов. В общем случае можно вести речь о необходимости согласования величины и формы импульса технологического напряжения с изменением межэлектродного промежутка с целью максимального приближения формы тока к прямоугольной и обеспечения безопасной работы .

На рис. 2.1 представлены графики изменения межэлектродного промежутка А, формирование импульсов технологического напряжения U и тока I во времени. Получить импульс технологического напряжения требуемой формы возможно, используя часть синусоиды пониженного сетевого напряжения, при этом принудительные колебания одного из электродов должны быть синхронизированы с сетью [22, 48] .

Рис. 2.1. Графики изменения во времени межэлектродного промежутка А, формирования импульсов технологического напряжения U и тока I На рис. 2.2 изображена схема генератора униполярных импульсов для реализации способа электрохимической обработки [49]. Генератор униполярных импульсов состоит из рабочего генератора и генератора отсекающих импульсов. В рабочем генераторе выход понижающего трансформатора TV через управляемый выпрямительный мост VTв и силовой тиристор VTс соединен с межэлектродным промежутком. В генераторе отсекающих импульсов зарядное устройство (ЗУ) с фильтром Сф через зарядный тиристор VTз соединено с коммутационным конденсатором Ск, который через коммутирующий тиристор VTк соединен с силовым тиристором VTс рабочего генератора. По мере сближения электродов для формирования импульса технологического напряжения одновременно подают управляющие сигналы на силовой тиристор VTс и тиристоры управляемого выпрямительного моста VTв .

Рис. 2.2. Схема генератора униполярных импульсов

Тиристоры открываются, и напряжение с трансформатора TV подается в межэлектродный промежуток. В этот же момент времени управляющие сигналы поступают на зарядный тиристор VTз, и происходит процесс заряда коммутационного конденсатора Ск от ЗУ, а в следующих циклах – перезаряд. С уменьшением межэлектродного промежутка напряжение в импульсе снижается до величины, меньшей поддержания дуги в зазоре, но достаточной для ведения транспассивного растворения .

Импульс технологического напряжения заканчивают непосредственно перед зоной возможного появления контакта, отведенной для работы следящей системы, управляющей скоростью подачи электродов. Для окончания импульса технологического напряжения подается управляющий сигнал на коммутирующий тиристор VTк. Тиристор VTк открывается, и напряжение коммутационного конденсатора Ск прикладывается к силовому тиристору VTс, закрывая его .

Данный принцип работы реализован в станках электрохимической размерной обработки ЭС-4000 и ЭХФ-А1 (см. прил. 2). В таблице приведены основные технические характеристики электрохимических станков ЭС-4000 и ЭХФ-А1 .

–  –  –

В обозначенном оборудовании заложено несколько способов управления скоростью подачи стола станка с заготовкой с целью поддержания оптимального межэлектродного промежутка. Основным следует считать старт-стопный режим, при котором подача стола производится с заданной скоростью и при выявлении системой слежения за зазором механического контакта между электродом-инструментом и заготовкой производится останов подачи на заданную выдержку времени с последующим включением подачи стола при восстановлении промежутка (см. рис. 1.9). Станки имеют автоматический и ручной режим работы, возможность программирования режимов входа электрода-инструмента в деталь, основной обработки и доводки торцевой поверхности. Оборудование снабжено необходимыми датчиками и блокировками для ведения процесса, позволяет контролировать перемещения стола в зоне обработки с точностью до 0,01 мм, скорость подачи стола – с точностью до 0,01 мм/мин, а также время процесса, величину и форму технологического напряжения в межэлектродном промежутке, ток в зазоре и давление электролита на входе в межэлектродный промежуток .

2.2. Материалы и методика подготовки образцов для исследования

Перечислим материалы для подготовки образцов для исследования .

Токарной обработкой изготовлены образцы цилиндрической формы высотой 20 мм и диаметром 12 мм из следующих основных инструментальных сталей:

У8, ХВГ, Х12, Х12МФ, Р6М5, 9ХС. Часть образцов из инструментальных сталей была термообработана в соответствии с ГОСТами на каждую сталь, которые приведены в справочнике В. Н. Журавлева «Машиностроительные стали»

[61]. Торцевые поверхности образцов прошлифованы на плоскопараллельном шлифовальном станке абразивным кругом средней мягкости .

Из стали У8 производят металлорежущий (фасонные резцы, сверла, метчики, плашки, развертки, фрезы), хирургический, измерительный и деревообрабатывающий инструмент.

Химический состав стали У8, масс.%:

C – 0,8; P – 0,035; S – 0,03; Si 0,4; Mn 0,07 .

Из стали ХВГ изготавливают измерительный и режущий инструмент, для которого недопустимо повышенное коробление при закалке, а также резьбовые калибры, протяжки, плашки, холодновысадочные матрицы и пуансоны. Химический состав стали ХВГ, масс.%: C – 0,1; Cr – 0,9–1,1;

W – 0,95–1,05; Mn – 1,0–1,1; P 0,02; Si 0,02 .

Сталь Х12 используют при изготовлении штампов для холодной обработки с высокой устойчивостью против истирания (преимущественно с рабочей частью округлой формы), не подвергающихся сильным ударам и толчкам, глазков для калибрования пруткового материала под накатку резьбы, секций кузовных штампов.

Химический состав стали Х12, масс.%:

C – 0,1; Cr – 11–13; Si 0,02; P 0,03 .

Сталь Х12МФ применяют для изготовления чеканочных, гибочных и формовочных штампов, волочильных досок и волок, матриц и пуансонов вырубных просечных штампов со сложной конфигурацией, накатных плашек и роликов. Химический состав стали Х12МФ, масс.%: C – 0,1; Cr – 11–13;

Mo – 0,9–1,0; V – 1,0–1,1; Si 0,02; P 0,03 .

Из быстрорежущей стали Р6М5 изготавливают резьбонарезной инструмент, работающий с ударными нагрузками, а также все виды режущего инструмента, используемого при обработке конструкционных материалов .

Химический состав стали Р6М5, масс.%: C – 0,7–1,5; W – 6; Mo – 5; Cr – 3–4,5;

Si 0,02; P 0,02 .

Из стали 9ХС изготавливают сверла, развертки, метчики, плашки, фрезы, машинные штемпели, клейма для холодных работ, зубила, штампы горячей вытяжки. Химический состав стали 9ХС, масс.%: C – 0,8; Si – 1,00–1,40;

Mn – 0,3–0,6; Cr – 1,3–1,6 .

Методика подготовки образцов для исследования. Обработка поверхностных слоев образцов различных материалов проводили на станке электрохимической размерной обработки ЭС-4000 [50]. Частота вибрации электрода-инструмента составляет 50 Гц, амплитуда – 0,32 мм. Вибрация синхронизирована с импульсами технологического напряжения или так называемыми полуволнами, которые получают путем выпрямления переменного напряжения частотой 50 Гц от однофазного источника (рис. 2.3) .

Для обработки использовались автором три ступени технологического напряжения – 12, 18, 24 В с возможностью уменьшить или увеличить каждую ступень на 15 %, т. е. может быть использовано девять дискретных значений напряжения [62]. Более тонкая регулировка действующего значения напряжения осуществлялась при регулировании величины угла открытия или закрытия полуволны напряжения, что схематично показано на рис. 2.3 .

–  –  –

Рис. 2.3. Синхронизация подачи импульсов технологического напряжения с амплитудой вибрации катода-инструмента (графики верхний и средний) .

Регулировка действующего значения технологического напряжения (графики средний и нижний) В качестве электролита был применен 10 %-й водный раствор азотнокислого натрия (NaNO3) с плотностью, равной 1,062–1,067 г/см3, pH 7, удельной электропроводностью (t = 20° С), равной 9,95 См м–1. Электрод-инструмент имел гладкую рабочую поверхность. При обработке образцов инструментальных сталей для оценки точности копирования по торцу на рабочую поверхность электрода-инструмента были нанесены риски различной глубины (от 10 мкм до 1 мм). Точность отображения рисок на поверхности образцов инструментальных сталей оценивалась с помощью измерительного оптического микроскопа .

2.3. Методы исследования поверхностного слоя образцов 2.3.1. Металлографический и рентгенофазовый анализ Изучение структуры поверхностных слоев и микрогеометрии поверхности образцов проводились автором металлографическим методом с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) и сканирующего зондового микроскопа. Для получения изображения поверхности обработанных образцов использовался РЭМ Tesla BS-301 в режиме детектирования вторичных электронов SE при ускоряющем напряжении 25 кВ. Организация цифрового образа 2D-изображения разрешением 1900 1500 точек осуществлялась при помощи контроллера ввода изображения с РЭМ в персональный компьютер [63]. Для получения 3D-изображения поверхности образцов использовался сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) СММ-2000 с полем сканирования 3/3/1 мкм и разрешением 3/3/1. Для преобразования 2D-изображения с РЭМ в 3D с последующей его обработкой использовался пакет программ Scan Master для СММ-2000. Критерием выбора увеличения при съемке на РЭМ был «представительный» вид изображения поверхности образца, т. е. увеличение (4000) было выбрано таким, чтобы хорошо различались особенности рельефа поверхности, а их плотность была близка к удельному среднему значению .

Первоначально определялись среднеквадратичная шероховатость и максимальная высота профиля 3D-изображений, полученных на СТМ. Эти данные использовались для корректировки при преобразовании 2D-изображения с РЭМ в 3D. По полученным 3D-образам программой Scan Master изображения с РЭМ определяли параметры для анализа шероховатости образцов .

В дальнейшем эти данные использовались при оценке шероховатости поверхности изделий, изготовленных из аналогичных сплавов методами механической, электроэрозионной и электрохимической обработок. Для оценки шероховатости поверхности изделий также использовался пакет программ Scan Master для СММ-2000. Съемка на РЭМ поверхности изделий производилась при увеличении 2000, а поверхности сплавов – после ЭХРО при 1000 .

В результате проведенного анализа поверхности инструментальных сталей были аттестованы по следующим основным параметрам:

1) среднеквадратичная шероховатость профиля Rq (вычисляется как корень квадратный из среднего квадрата отклонения точек от средней линии профиля), м–9;

2) средняя шероховатость профиля Rа (вычисляется как средний модуль отклонения точек профиля от средней линии профиля), м–9;

3) средняя шероховатость профиля по 10 точкам Rz (вычисляется как сумма средней высоты 5 самых высоких выступов профиля со средней глубиной 5 наиболее глубоких впадин профиля. Высота выступа (впадины) определяется как модуль наибольшего отклонения точек выступа (впадины) от средней линии профиля. Выступом или впадиной считается часть профиля между двумя соседними пересечениями профиля со средней линией профиля), м–9;

4) максимальная высота шероховатостей Rmax (вычисляется как разность максимальной и минимальной высот точек профиля, которые отсчитываются относительно средней линии профиля), м–9;

5) средний шаг неровностей профиля Sm (вычисляется как средняя длина проекций неровностей на среднюю линию профиля; неровностью считается часть профиля между двумя ближайшими точками, в которых профиль пересекает свою среднюю линию в направлении сверху вниз), м–9;

6) средний шаг выступов профиля S (вычисляется как средняя длина проекций выступов на среднюю линию профиля; выступом называется часть профиля, заключенная между двумя соседними локальными максимумами профиля), м–9 .

Фазовый состав поверхности обработанных образцов определялись методом рентгенофазового анализа. Запись рентгеновских дифракционных линий проводилась в геометрии Брегг – Брентано на дифрактометре ДРОН-0,5 в монохроматическом медном излучении ( = 1,54178 ) .

2.3.2. Микрорентгеноспектральный анализ Рентгеноспектральный анализ или анализ методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС-анализ) обработанной поверхности образцов осуществлялся с помощью спектрометра VG ESCALAB MK II. Вакуум в процессе РФЭС-анализа поддерживался на уровне 10–8 Па, в качестве возбуждающего рентгеновского излучения использовались линии MgK и AlK с энергиями 1253,6 эВ и 1486 эВ соответственно. Шаг сканирования по энергии составлял 0,1 эВ, разрешение спектрометра по энергии оценивалось по линии Ag3d5/2, для возбуждающего излучения MgK и энергии пропускания анализатора 10 эВ, ширина данной линии на полувысоте составляла 0,82 эВ. Калибровку спектрометра осуществляли по линии Au4f7/2 (84 эВ), зарядку образца оценивали по спектрам углерода C1s (285,0 эВ) от естественных углеводородных загрязнений на поверхности. Чередование РФЭС-анализа и ионного стравливания поверхностных слоев пучком аргона (U = 6 кэВ, I = 20 мкА) использовалось для получения информации о распределении элементов по глубине до нескольких десятков нанометров .

2.3.3. Определение твердости и микротвердости поверхности обработанных образцов Изучение микротвердости обработанной поверхности проводилось на образцах, предварительно исследованных металлографически и не содержащих микротрещин. Микротвердость в локальных объемах поверхностного слоя измеряют по ГОСТ 9450–76 на оптическом микроскопе ПМТ-3 [64], снабженном механизмом нагружения. Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмазную четырехгранную пирамиду (с углом при вершине 136°). Нагрузка на индентор невелика и находится в пределах от 0,05 до 5 Н, а размер отпечатка составляет от 5 до 30 мкм. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка. Статистическая обработка полученных данных осуществлялась на базе 20 отпечатков при нагрузке на индентор 1 Н .

Твердость по шкале HRC определяли по методу Роквелла (рис. 2.4) [65] .

Рис. 2.4. Определение твердости по методу Роквелла:

Р0 – предварительная нагрузка; Р1 – основная нагрузка; Р – сумма нагрузок;

h0 – глубина отпечатка алмазной пирамиды при наложении на индентор нагрузки Р0;

h – глубина отпечатка алмазной пирамиды при наложении на индентор нагрузки Р В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° .

Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная величина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испытание проводят на твердомере марки ТК. Значение твердости определяют по глубине отпечатка h и отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. Во всех случаях предварительная нагрузка Р0 равна 100 Н. При испытании металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус и общую нагрузку Р = Р0 + Р1 = 1500 Н .

Твердость отсчитывают по шкале С и обозначают HRC .

Контрольные вопросы

1. За счет каких факторов может быть повышена точность анодного ЭХФ без стабилизации входных параметров (температура электролита, давление, водородный показатель)?

2. Что необходимо конструктивно предусмотреть в электрохимическом станке для поддержания нужной плотности тока в импульсе напряжения в течение всей электрохимической размерной обработки?

3. Каков технологический режим ЭХРО образцов из инструментальных сталей?

4. Каковы основные параметры шероховатости поверхности?

5. Какие методики изучения микротвердости и твердости Вы знаете?

Чем обусловлен выбор способа измерения твердости по Роквеллу с использованием шкалы С?

Контрольные задания

1. Нарисуйте схему генератора униполярных импульсов электрохимического станка и объясните принцип его работы .

2. Дайте краткую характеристику электрохимических станков ЭС-4000 и ЭХФ-А1 .

3. Напишите реферат на тему «Методы измерения твердости и микротвердости материалов» .

4. Используя информацию из таблицы, раздела 1.3 и прил. 2, опишите принцип действия, основные параметры и сопоставьте технические характеристики электрохимических станков ЭС-4000 и ЭХФ-А1 .

Глава 3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ

3.1. Зависимость обработки инструментальных сталей от условий прокачки раствора электролита в межэлектродном промежутке и от амплитуды технологического напряжения В данной главе изложены результаты исследований влияния параметров ЭХРО на производительность, точность и качество поверхности инструментальных сталей .

В качестве типового был выбран режим с частотой вибрации электрода-инструмента 50 Гц, амплитудой вибрации 0,32 мм, с формой и положением импульса технологического напряжения в межэлектродном промежутке относительно колебаний электрода-инструмента, показанными на рис. 3.1, с углом открытия первой полуволны 90° на 2-й ступени технологического напряжения (18 В) .

Рис. 3.1.

График синхронизации формы и положения импульса технологического напряжения с механическими колебаниями электрода-инструмента:

1 – местоположение контакта, служащего входным сигналом следящей системы Обрабатывались стандартные образцы стали Х12МФ с использованием универсальной оснастки с боковой подачей электролита в межэлектродный промежуток. Электрод-инструмент был изготовлен из медного сплава Лс63 .

Для оценки точности копирования по торцовой поверхности на рабочей поверхности электрода-инструмента площадью S = 440 мм2 механическим путем были нанесены риски под углом 90° по отношению друг к другу шириной и глубиной соответственно 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 мм. Точность при этом оценивалась с использованием измерительного микроскопа по четкости перенесения рисок на поверхность образцов. Производительность процесса электрохимической обработки оценивалась по объему растворяемого материала анода или по линейной скорости перемещения электрода-инструмента относительно заготовки [62]. Результаты экспериментов приведены в таблице .

На рис. 3.2 изображены результаты экспериментов по определению зависимости точности копирования по торцу от условий прокачки и амплитуды технологического напряжения при электрохимической размерной обработке (чем выше плотность расположения точек на поле рисунка, тем более четкое копирование). Самый четкий перенос рисок наблюдается на образце 1.2.1, близким к нему образцом является 1.3.2. На всех образцах после обработки присутствует налет, состоящий из продуктов электролиза, который легко убирается механическим образом при помощи мягкой щетки с содовым раствором. Увеличением скорости прокачки электролита через межэлектродный промежуток не удается снять образующийся налет .

Р, атм

–  –  –

3.2. Влияние параметров импульса технологического напряжения на производительность и точность электрохимического формообразования Анализ литературных данных показал, что до настоящего времени при использовании импульсно-циклического метода ЭХФ исследователи изучали лишь влияние амплитуды анодного потенциала, наложение импульсов которого синхронизировано с механическими колебаниями электрода-инструмента, на производительность и точность обработки. Однако форма имупульсов технологического напряжения в неменьшей степени влияет на основные критерии электрохимического формообразования. Это наиболее существенно при использовании в электрохимических установках однофазных источников питания, формирующих импульсы технологического напряжения в виде полуволн с естественным спадом. Такие источники зарекомендовали себя наиболее экономичными и, прежде всего, безопасными при ЭХФ геометрически сложных поверхностей. Здесь имеется в виду технологическая безопасность, т. е. защита электрода-инструмента от электроэрозионного разрушения при возможном соприкосновении катода и анода (коротком замыкании). Трехфазные источники питания формируют практически прямоугольные импульсы напряжения, у которых единственными изменяющимися параметрами являются амплитуда и длительность импульса. Главный недостаток прямоугольной формы импульсов – высокая вероятность электрического пробоя при сближении катода и анода в результате синхронизации наложения анодного потенциала и механических колебаний катода-инструмента. Поэтому в электрохимических установках применяются в основном однофазные источники питания, формирующие импульсы в виде полуволн с естественным спадом. В этом случае кроме амплитуды и длительности импульса изменяющимися параметрами, существенно влияющими на ЭХФ, являются углы открытия и закрытия полуволн технологического напряжения, их временное расположение как относительно зоны механического контакта катода и анода, так и относительно поверхности анода .

Необходимо отметить, что в этом разделе обсуждается влияние изменяющихся параметров импульса анодного потенциала, имеющего форму полуволны или двух полуволн напряжения с естественным спадом .

В качестве стандартных обрабатываемых образцов использовались заготовки размерами 16 16 5 мм из стали Х12МФ. В качестве электрода-инструмента применялась конструкция электрода с центральной прокачкой электролита, изображенная на рис. 3.3. Материал электрода – медь М2, площадь рабочей поверхности электрода S = 90 мм2. Боковая поверхность электрода покрыта электроизоляционным компаундом ПЭП-177. На электроде-инструменте для оценки точности копирования по торцу нанесены риски под углом 90° относительно друг друга шириной и глубиной 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 мм соответственно. Поскольку недостаточно оценить точность копирования рисок только по глубине, так как присутствует развал боковых стенок и угловых поверхностей, в данной работе производится визуальная оценка точности копирования по торцу с помощью измерительного микроскопа. Для оценки использовали сравнительную 10-балльную шкалу, где 10 баллам соответствовала высшая оценка точности. Точность копирования по боковым стенкам оценивали, измеряя развал диаметра, образующийся при обработке образцов электродом-инструментом 12 мм с рабочим пояском 0,5 мм (см. рис. 3.3). Глубина обработки составляет 4 мм .

Вибрация электрода-инструмента составляет F = 50 Гц; амплитуда колебания ЭИ А = 0,32 мм. Состав электролита: 12 %-й водный раствор NaNO3;

t = 295 К; рН = 7; давление электролита на входе в МЭП Рэл = 2 атм [62] .

В процессе экспериментов выявлено влияние технологических параметров на производительность обработки, точность копирования по торцу и боковым стенкам. Определены преимущественные режимы обработки. Выбор давления электролита при обработке зависит от таких технологических параметров, как плотность технологического тока в межэлектродном промежутке и условия прокачки электролита через МЭП (длина пути, рельеф образующийся в процессе обработки, форма подачи электролита в МЭП (прямая, обратная или боковая)). При работе на высоких плотностях тока повышение давления электролита играет, как правило, положительную роль, позволяя повысить производительность обработки и точность копирования. Однако, повышение давления в зависимости от формы электрода-инструмента, его площади и условий прокачки через МЭП, может привести к таким явлениям, как появление струйности на обрабатываемой поверхности, а также резонансным явлениям в технической системе. В таких случаях давление электролита приходится ограничивать. При работе на низких плотностях тока обрабатываемая поверхность покрывается рыхлым слоем продуктов растворения, что снижает точность копирования по торцу. В данном случае избыточное давление не позволяет удалить этот слой и приводит к снижению качества поверхности. При работе с использованием низких плотностей тока в МЭП на стадии формирования торцовой поверхности требуется подбор давления с регулировкой его значений в меньшую сторону, но, в то же время, с обеспечением удовлетворительной очистки зазора от продуктов растворения .

Рис. 3.3. Электрод-инструмент для оценки производительности процесса ЭХРО и точности копирования по торцу и боковым стенкам Как показали исследования, электрохимическая обработка инструментальной стали Х12МФ на первой ступени технологического напряжения (низкая плотность тока) приводит к тому, что обрабатываемая поверхность покрывается рыхлым пассивирующим слоем, мешающим копированию. Процесс происходит при невысокой производительности и точности копирования. Поэтому работа при низкой плотности тока не может быть рекомендована для обработки инструментальных сталей. Работа при высокой плотности тока в МЭП (вторая ступень технологического напряжения) позволяет получить довольно высокую точность копирования при хорошей производительности процесса .

Дальнейшее повышение плотности тока (третья ступень технологического напряжения) может быть рекомендовано в тех случаях, где необходима высокая производительность процесса, а требования к точности невысоки. Кроме того, следует отметить, что работа на третьей ступени технологического напряжения возможна при обеспечении хороших условий прокачки электролита через МЭП, так как возрастает риск пробоя межэлектродного промежутка. Появляются и ограничения по площади обработки, вызываемые усложнением технологического оборудования. Также увеличение плотности тока влечет за собой значительный развал боковых и угловых поверхностей, формирующихся при обработке. Поэтому использование таких режимов обработки возможно для решения конкретных задач, например, для прошивки глубоких отверстий. В этом случае боковая поверхность электрода-инструмента должна быть изолирована .

Формой импульса технологического напряжения, синхронизированной с колебаниями катода-инструмента относительно поверхности анодазаготовки, следует считать такую форму, при которой напряжение при сближении электродов уменьшается, а при удалении возрастает. Базовым следует считать угол открытия первой полуволны технологического напряжения, который составляет 90°, что позволяет получить высокую производительность процесса при достаточно хорошей точности копирования. Увеличение ширины импульса (угол открытия первой полуволны составляет 80, 70, 60°) приводит не только к росту производительности обработки, но и к значительному уменьшению точности копирования по боковым и угловым поверхностям. Уменьшение ширины импульса (угол открытия первой полуволны – 100, 110, 120°) приводит к незначительному снижению производительности. В то же время возрастает точность копирования по боковым и угловым поверхностям. Угол открытия первой полуволны зависит от положения статора синхронного электродвигателя виброголовки, которая сообщает колебания электрода-инструмента по нормали к поверхности заготовки. Так, при установке статора в основное положение (–10°) не целесообразно работать на углах открытия меньше 90° (например, 80, 70, 60°), так как при незначительном росте производительности значительно ухудшается точность копирования. При смещении статора до положения +6° допускается работать на углах меньше 90° (например, 80°). Такой режим позволяет повысить производительность процесса без ущерба точности копирования. В целом же следует рекомендовать для захода электрода-инструмента в деталь и основной обработки режимы с углами открытия импульсов технологического напряжения, равными 90 и 100°. Для финишной доводки и окончательного оформления поверхности значения углов открытия первой полуволны необходимо устанавливать в интервале 110–120° в зависимости от площади обработки и конфигурации получаемой поверхности .

Влияние угла закрытия первой полуволны на производительность и точность обработки во многом определяется положением статора двигателя виброголовки. Базовым следует считать режим, когда импульс технологического напряжения закрывается за счет полного спада напряжения (угол закрытия составляет 180°) при положении статора с углом, составляющим –10°. Отсечка заднего фронта импульса (170, 160°) без сдвига статора практически не влияет на производительность обработки, так как спадающий задний фронт импульса технологического напряжения оказывает пассивирующее воздействие на обрабатываемую поверхность вследствие того, что значение напряжения на этом участке импульса ниже потенциала анодного растворения материала заготовки .

Наибольший интерес представляет собой режим с отсечкой по заднему фронту и со сдвигом статора двигателя виброголовки в сторону импульса технологического напряжения. Оптимальным следует считать режим с отсечкой по заднему фронту импульса технологического напряжения 160° и значением сдвига статора, лежащим в интервале +4…+6°. Данный режим позволяет резко повысить плотность тока на минимальном межэлектродном промежутке и, как следствие, производительность и точность обработки .

Подключение импульса второй полуволны технологического напряжения при отводе электрода-инструмента от поверхности детали целесообразно с целью повышения производительности обработки. Однако необходимо обеспечение ряда условий:

положение статора, составляющее –10°, что соответствует появлению контакта относительно кривой технологического напряжения на 190°;

удовлетворительные условия прокачки электролита через межэлектродный промежуток, что обеспечивает своевременный вынос продуктов растворения из зазора между электродами;

изоляция нерабочих поверхностей электрода-инструмента для уменьшения развала боковых стенок обрабатываемой детали .

Поскольку ширина контакта достигает 30°, оптимальным углом открытия второй полуволны следует считать угол 210° при положении статора –10°. Угол закрытия второй полуволны технологического напряжения значительно влияет на точность копирования, так как импульс технологического напряжения заканчивается на большем межэлектродном промежутке по сравнению с первой полуволной. Поэтому можно рекомендовать режим, при котором длительность импульса технологического напряжения первой полуволны больше импульса второй полуволны. При этом значения угла закрытия второй полуволны лежат в интервале 240–260°. Необходимо помнить, что увеличение ширины имульса второй полуволны приводит к увеличению производительности и снижению точности обработки .

Основным режимом импульсно-циклической размерной электрохимической обработки, позволяющим вести процесс при высокой плотности тока в межэлектродном промежутке (это исключает образование на обрабатываемой поверхности слоя из продуктов анодного растворения), является режим, при котором форма импульса технологического напряжения имеет вид, показанный на рис. 3.4 .

Рис. 3.4. Форма импульса технологического напряжения при основном режиме обработки Основной режим обладает высокой производительностью и точностью обработки. Однако очень важно обеспечить оптимальную прокачку электролита в межэлектродном промежутке, при которой будет осуществляться полный вынос продуктов растворения из промежутка между электродами .

При неудовлетворительной прокачке электролита, обусловленной сложностью рельефа электрода-инструмента, необходимо увеличивать давление электролита на входе в межэлектродный промежуток или разворотом статора электродвигателя виброголовки несколько сместить контакт от кривой технологического напряжения. С целью повышения точности обработки можно уменьшить длительность импульса, установив угол открытия первой полуволны в интервале 105–125° в зависимости от площади обработки .

При операциях прошивки глубоких фасонных отверстий (там, где используется электрод-инструмент с изолированными стенками и необходима высокая производительность процесса при невысоких требованиях к точности обработки) можно рекомендовать режим с использованием двух полуволн технологического напряжения. Форма импульса такого режима изображена на рис. 3.5. Увеличение ширины импульсов за счет угла открытия первой полуволны и угла закрытия второй полуволны ведет к росту производительности обработки и снижению точности копирования .

Рис. 3.5. Форма импульса технологического напряжения, используемого для операций прошивки глубоких фасонных отверстий Уменьшение ширины импульса ведет к повышению точности ЭХФ при снижении производительности. Для увеличения производительности процесс можно вести не на второй (18 В), а на третьей (24 В) ступени технологического напряжения .

3.3. Зависимость точности обработки от состава инструментальных сталей

Для определения зависимости точности обработки от состава инструментальных сталей обрабатывались образцы инструментальных сталей У8, Х12, 9ХС, ХВГ, Х12МФ, Р6М5 с использованием универсальной оснастки с боковой подачей электролита в межэлектродный промежуток. Электрод-инструмент был изготовлен из медного сплава ЛС 63. Для оценки точности копирования по торцовой поверхности на рабочей поверхности электрода-инструмента площадью S = 440 мм2 механическим путем были нанесены риски под углом 90° по отношению друг к другу шириной и глубиной соответственно 0,1; 0,2; 0,3 и 0,4 мм. Точность при этом оценивалась с использованием измерительного микроскопа по четкости перенесения рисок на поверхность образцов. Производительность процесса электрохимической обработки оценивалась по объему растворяемого материала анода или по линейной скорости перемещения электрода-инструмента относительно заготовки. Режимы ЭХРО были выбраны, исходя из результатов экспериментов, описанных выше. Форма импульса технологического напряжения изображена на рис. 3.6 .

Рис. 3.6. Форма импульса технологического напряжения при высокоточном режиме ЭХРО Среднее значение технологического напряжения Uср = 2,4 В; амплитудное значение технологического напряжения Uа = 6 В; давление электролита на входе в межэлектродный промежуток Рэл = 5 атм; длительность импульса технологического напряжения, подаваемого при максимальном сближении электрода-инструмента с обрабатываемым образцом составляет 2000 мкс. Вибрация электрода-инструмента: v = 50 Гц; А = 0,32 мм. Химический состав исследуемых образцов приведен в п. 2.2. Фазовый состав исследуемых образцов инструментальных сталей приведен в п. 4.2 .

В результате исследований точности копирования по торцу получены следующие результаты. Точность копирования по торцу изменяется в зависимости от легирующих компонентов определенным образом (рис. 3.7) .

Рис. 3.7. Изменение точности копирования по торцу при ЭХРО инструментальных сталей в зависимости от легирующих компонентов Наличие в составе инструментальных сталей легирующих компонентов (тугоплавких металлов) повышает точность копирования по торцу. Присутствие в сталях вольфрама и ванадия способствует образованию прочных окисных пленок, нерастворимых в водных растворах нейтральных электролитов в пассивных и транспассивных областях электрохимического растворения. Наличие в сталях ХВГ и Х12МФ небольшого количества данных металлов (примерно 1 %) позволяет избежать паразитного растравливания поверхностных слоев токами рассеяния, неизбежно присутствующими в рабочем пространстве электрохимического формообразования. Однако увеличение процентного содержания данных металлов в качестве легирующих добавок (сталь Р6М5 и т. п.) ухудшает микрогеометрию поверхности (увеличивает шероховатость) .

Контрольные вопросы

1. Какова форма импульса технологического напряжения при основном режиме анодного ЭХФ?

2. Какова форма импульса технологического напряжения, используемого для операций прошивки глубоких фасонных отверстий?

3. Какова форма импульса технологического напряжения при высокоточном режиме анодного ЭХФ?

4. Каким образом изменение точности копирования по торцу при анодном ЭХФ инструментальных сталей зависит от легирующих компонентов?

Контрольные задания

1. Нарисуйте график синхронизации формы и положения импульса технологического напряжения с механическими колебаниями катода-инструмента. Объясните принцип синхронизации при импульсно-циклическом анодном ЭХФ .

2. Напишите реферат на тему «Инструментальные стали: состав, структура, области применения» .

3. Пересчитайте длительности импульсов технологического напряжения, описанные в данной главе, из градусов в миллисекунды .

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ,

ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

4.1. Исследование химического состава поверхностного слоя инструментальных сталей до и после электрохимической размерной обработки 4.1.1. Анализ поверхности стали Х12МФ методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии Электрохимическая размерная обработка представляет собой электрохимическое растворение металла, сочетающееся с удалением продуктов растворения потоком электролита. В этих условиях можно ожидать модификации состава поверхностных слоев обрабатываемого материала. Известно, что легирующие компоненты (хром, молибден, вольфрам и др.) формируют пассивирующие оксидные слои на поверхности стали, эффективно препятствующие коррозии металла в жестких условиях эксплуатации оборудования и инструмента, например, при повышенных температурах и в агрессивных средах [25]. В связи с этим возникает вопрос, в какой степени метод электрохимической размерной обработки в растворе NaNO3 изменяет состав и химическую природу поверхностных слоев конструкционных (инструментальных) сталей и не препятствует ли данная обработка формированию поверхностных пассивирующих слоев на основе легирующих добавок с их полезными прикладными свойствами. В настоящей главе рассматриваются результаты исследования поверхности сталей трех широко используемых марок Х12МФ, Р6М5 и ХВГ с применением метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) после механической и электрохимической размерной обработки [66, 67] .

Физические основы и особенности использования фотоэлектронной спектроскопии подробно описаны в научно-технической литературе [68– 71]. Характерная толщина поверхностного слоя, формирующего спектр фотоэлектронов, составляет 5–10 нм. Для РФЭС-анализа на большую глубину было использовано травление поверхностных слоев пучком аргона (U = 6 кэВ, I = 20 мкА). Такой прием позволял устанавливать профиль распределения элементов по глубине в слое толщиной несколько десятков нанометров. Приведем рентгенофотоэлектронные спектры (РФЭ-спектры) для каждой марки стали .

На рис. 4.1 представлены обзорные РФЭ-спектры поверхности стали марки Х12МФ после механической (см. рис. 4.1, а) и электрохимической размерной (см. рис. 4.1, б) обработок после ионной чистки в течение примерно 8 мин, что соответствует удалению порядка 50 нм поверхностного слоя .

На спектре присутствуют линии как от эмиссии фотоэлектронов, так и от оже-переходов, инициированных фотоэффектом. Для выделения линий от фотоэмиссии обзорный спектр записывается в данном случае для двух типов возбуждающего излучения: MgK (1253,6 эВ) и AlK (1486,6 эВ) .

При изменении энергии падающего рентгеновского излучения на 233 эВ оже-полосы в обзорном спектре смещаются на идентичную величину в сторону больших энергий связи, что позволяет правильно интерпретировать линии фотоэмиссии. На рис. 4.1 отмечены основные полосы: Fe, C, O, Ar и Ca. Чувствительность РФЭС-метода достаточно высока. Для использованных режимов записи спектров она составляет для металлов примерно 0,5 ат.%, для неметаллов – 1 ат.%. Аргон в спектрах присутствует вследствие имплантации ионов Ar+ при ионной чистке. Отметим, что данная марка стали должна содержать в железе следующие добавки в весовых процентах: Cr – 11–13 %, Mo – 0,9–1 %, V – 1–1,1 %, Si 0,02 %, P 0,03 %, C – 0,1 %. Соответствующие полосы от металлов (молибдена и ванадия), а также кремния и фосфора не наблюдаются. Зато присутствуют интенсивные максимумы от кислорода и углерода. Данный факт указывает на окисление и загрязнение углеродом (сажа, масло и т. д.) поверхности стали;

слой оксида (или твердого раствора кислорода и углерода) весьма трудно полностью удалить ионным пучком, что обусловлено конечной шероховатостью поверхности .

Сопоставление спектров после механической и электрохимической размерных обработок (см. рис. 4.1, а и б) указывает на несколько большее содержание углерода после механической обработки и более высокую поверхностную концентрацию кислорода после размерной обработки в солевом растворе. Существенных отличий в элементном составе поверхности после двух обработок не наблюдается. Основными примесями в железе являются углерод и кислород .

а

–  –  –

На рис. 4.2 и 4.3 можно увидеть, как меняются форма и интенсивность линий железа Fe2p, кислорода O1s и углерода C1s на поверхности стали Х12МФ по мере ионного стравливания поверхностных слоев (на рис. 4.2 показаны спектры образца после механической обработки, на рис. 4.3 – после электрохимической размерной обработки) .

Рис. 4.2. РФЭ-спектры Fe2p железа, O1s кислорода и C1s углерода поверхности стали Х12МФ после МО (спектры показаны по мере роста времени ионного Ar+-травления, соответствующего удалению поверхностных слоев в течение 380 с ионного травления, что соответствует примерно 35 нм стравленного слоя) Рис. 4.3. РФЭ-спектры Fe2p железа, O1s кислорода и C1s углерода поверхности стали Х12МФ после ЭХРО (спектры показаны по мере роста времени ионного Ar+-травления, соответствующего удалению поверхностных слоев в течение 345 с ионного травления, что соответствует примерно 32 нм стравленного слоя) Из анализа спектров, изображенных на рис. 4.2 и 4.3 следует, что на поверхности стали Х12МФ железо находится в окисленном состоянии (Fe2O3), углерод – в слабосвязанном состоянии углеводородов (концентрация углерода высока), в спектре кислорода присутствуют состояния от оксида (при примерно 530 эВ) и OH–-групп поверхностных загрязнений. С началом ионной чистки интенсивность линии кислорода возрастает вследствие удаления поверхностного слоя углеводородов, при этом вклад от полосы OH–-групп снижается. При длительности травления в пределах 100 с в спектрах O1s-кислорода доминирует состояние от оксида железа Fe2O3. На этом этапе в спектре C1s полоса от углеводорода снижает свою интенсивность и появляется новая линия в области 282,5 эВ, относящаяся к углероду, растворенному в железе. Соответственно в спектре железа Fe2p после 100 с травления выделяется состояние от металлического железа. Описанные выше закономерности изменения Fe2p, O1s и C1s РФЭ-спектров по глубине аналогичны для поверхности образцов как после механической, так и последующей электрохимической обработки. По результатам анализа спектров можно сделать выводы о том, что электрохимическая размерная обработка в нейтральном электролите NaNO3 не оказывает существенного влияния на состав поверхностных слоев стали марки Х12МФ, предварительно обработанной механически .

На рис. 4.4 представлена гистограмма вклада зарегистрированных РФЭС-методом элементов (ат.%) в суммарный состав поверхностных слоев стали до и после электрохимической обработки. Отметим, что такой элемент, как хром регистрируется, но его содержание ниже ожидаемого для стали Х12МФ. Такие элементы, как молибден и ванадий не зарегистрированы на уровне точности РФЭС-метода. До электрохимической обработки на поверхности стали присутствовал кремний в виде оксида кремния (SiO2) .

Сразу после ионной чистки кремний исчезает. Данного элемента нет в спектрах и после электрохимической обработки. Было высказано предположение, что после обработки в солевом растворе NaNO3 на поверхности стали будут оставаться продукты реакции, содержащие азот и натрий. РФЭС-анализ, однако, не обнаруживает таких веществ, что свидетельствует об эффективном удалении продуктов реакции с поверхности стали в процессе электрохимической обработки .

а б Рис. 4.4. Процентное содержание элементов Fe, O, C, Cr, Ca, Na и Si в поверхностных слоях стали Х12МФ по мере удаления от поверхности (время травления 400 с соответствует 37 нм повехностного слоя):

а – гистограммы построены для повехности стали после МО;

б – после ЭХРО; 1 – Fe; 2 – О; 3 – С; 4 – Cr; 5 – Ca; 6 – Na; 7 – Si Чтобы оценить толщину поверхностного загрязненного слоя, а также распределение хрома по поверхностным слоям удобно рассмотреть распределение атомных отношений элементов Cr / Fe, O / Fe и C / Fe по глубине до и после электрохимической обработки (рис. 4.5) .

а

–  –  –

Из построенных зависимостей можно сделать следующие заключения. Во-первых, толщина слоя загрязнений поверхности стали углеводородами и OH–-комплексами составляет примерно 5 нм. Во-вторых, уровень загрязнения одинаков до и после электрохимической обработки, т. е. определяется историей хранения образцов после обработки. В-третьих, после электрохимической обработки хром формирует на поверхности защитный пассивирующий слой толщиной примерно 15 нм, тогда как данный слой отсутствует на поверхности после механической обработки стали .

Таким образом, спектральное исследование поверхности стали марки Х12МФ методом РФЭС до и после электрохимической размерной обработки показывает следующее: поверхность стали Х12МФ как до, так и после электрохимической обработки покрыта близким по толщине (около 10– 15 нм) слоем оксида железа, на поверхности присутствует слой углеводородных и OH–-загрязнений толщиной около 5 нм; в поверхностных слоях стали не обнаружено заявленного для объема содержания молибдена и ванадия, поверхностная концентрация хрома также ниже объемного значения. Кроме того, электрохимическая размерная обработка способствует формированию защитного поверхностного слоя, обогащенного хромом толщиной примерно 15 нм. Продуктов реакции электрохимической обработки, содержащих азот и натрий, на поверхности стали не обнаружено. Под слоем оксида железа (или хрома) расположен слой металла с высоким содержанием углерода, химически связанного с железом, содержание растворенного в железе углерода значительно выше заданного для объема данной марки стали уровня в 0,1 вес.% .

4.1.2. Анализ поверхности стали Р6М5 методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии По аналогии с п. 4.1.1 начнем обсуждение с обзорных РФЭ-спектров поверхности стали марки Р6М5 после удаления поверхностных загрязненных и окисленных слоев (рис. 4.6). Можно видеть, что в обзорных спектрах присутствуют линии множества элементов, среди которых мы выделяем следующие: Fe, O, C, Cr, Mo, W, Co, Ca, Si, Na. Наблюдаемые в области 245 и 320 эВ максимумы от аргона связаны с ионной бомбардировкой и имплантацией ионов Ar+ в поверхностные слои стали. Более подробно были записаны спектры Fe2p, C1s, O1s, Cr2p, Mo3d и W4f. Спектры данных элементов собраны на рис. 4.7, 4.8 для поверхности после механической обработки и на рис. 4.9, 4.10 для поверхности, подвергнутой электрохимической размерной обработке. Закономерности изменения спектров железа Fe2p, кислорода O1s и углерода C1s идентичны таковым для стали Х12МФ, описанной ранее. На поверхности стали Р6М5 железо находится в состоянии Fe3+ (оксид железа Fe2O3). На поверхности слоя оксида локализованы углерод и кислород в химически слабосвязанных формах углеводородов, OH–-группах, молекулах воды, кислорода в органических соединениях. Толщина слоя оксида железа примерно равна для образцов, подвергнутых механической и последующей электрохимической обработке и составляет примерно 15 нм .

–  –  –

Рис. 4.7. РФЭ-спектры Fe2p железа, O1s кислорода и C1s углерода поверхности стали Р6М5 после МО (спектры показаны по мере роста времени ионного Ar+-травления, соответствующего удалению поверхностных слоев в течение 510 с ионного травления, что соответствует примерно 47 нм стравленного слоя) W4f W WO3

–  –  –

Рис. 4.8. РФЭ-спектры W4f вольфрама, Cr2p хрома и Mo3d молибдена поверхности стали Р6М5 после МО (спектры показаны по мере роста времени ионного Ar+-травления, соответствующего удалению поверхностных слоев в течение 510 с ионного травления, что соответствует примерно 47 нм стравленного слоя)

–  –  –

Рис. 4.10. РФЭ-спектры W4f вольфрама, Cr2p хрома и Mo3d молибдена поверхности стали Р6М5 после ЭХРО (спектры показаны по мере роста времени ионного Ar+-травления, соответствующего удалению поверхностных слоев в течение 420 с ионного травления, что соответствует примерно 38 нм стравленного слоя) После удаления оксидного слоя ионным Ar+-пучком и продвижения в более «глубокие» слои стали в спектрах углерода присутствует явно выраженный максимум от химически связанного с металлом углерода, причем содержание данного углерода в поверхностных слоях достаточно велико (рис. 4.11) .

а б Рис. 4.11. Процентное содержание элементов Fe, O, C, Cr, W, Mo, Ca, Si и Co в поверхностных слоях стали Р6М5 по мере стравливания поверхностных слоев ионным Ar+-пучком (время травления 450 с соответствует примерно 45 нм поверхностного слоя):

а – поверхность стали после МО; б – поверхность стали после ЭХРО;

1 – Fe; 2 – O; 3 – C; 4 – Cr; 5 – W; 6 – Mo; 7 – Ca; 8 – Si; 9 – Co Для марки стали Р6М5 объемное содержание углерода задается 0,7– 1,5 вес.%, с учетом разницы в атомных весах это соответствует 3,2–7 ат.% .

Можно предположить, что углерод присутствует в поверхностных слоях исследуемой стали в виде твердого раствора в железе в пределах верхней границы своего объемного содержания. Хотя количественные оценки свидетельствуют о более высокой концентрации данного элемента (см. рис. 4.11) .

Содержание углерода не изменяется после электрохимической обработки поверхности стали .

Интересно проследить за изменением спектров легирующих элементов (хрома, молибдена и вольфрама) по глубине поверхностных слоев стали Р6М5 (см. рис. 4.8 и 4.9). Данные примеси присутствуют в оксидном поверхностном слое Fe2O3 также в виде оксидов. В слоях, расположенных на глубине 20 нм и глубже, хром, молибден и вольфрам находятся в металлическом состоянии. Сопоставляя профили распределения отношений указанных металлов к железу по глубине (рис. 4.12) для механической и электрохимической обработок можно утверждать, что хром распределен для двух типов обработки поверхности одинаковым образом, его профиль при этом демонстрирует насыщение поверхностных окисленных слоев хромом на глубину примерно 10 нм. Таким образом, хром способствует образованию плотного оксидного слоя на поверхности стали. Данные по распределению молибдена и вольфрама не столь очевидны. Здесь следует отметить разницу между двумя исследуемыми поверхностями до и после электрохимической обработки по поверхностному содержанию углерода и кислорода. После обработки концентрация поверхностных загрязнений выше почти в два раза. Данный слой экранирует сигнал от матрицы стали, снижает интенсивности РФЭС-линий металлов и делает оценки соотношений Cr / Fe, Mo / Fe, W / Fe менее точными. Особенно это важно для оценок самого верхнего поверхностного слоя до применения ионной Ar+-чистки .

Выполненные оценки распределения молибдена и вольфрама по глубине относительно железа (см. рис. 4.12) свидетельствуют о некотором обеднении поверхностных слоев стали марки Р6М5 данными элементами (примерно в два раза) после электрохимической обработки поверхности. При этом молибден и вольфрам распределены по поверхностным слоям равномерно, их содержание согласуется с данными для объема данной марки стали. Исключение составляет молибден в образце после ЭХРО – здесь профиль распределения молибдена имеет максимум на глубине примерно 10 нм, т. е. следует за профилем распределения хрома по глубине. Можно предположить, что на поверхности стали выделяется помимо Fe2O3 оксид хрома (CrxOy), под которым располагается тонкий слой оксида молибдена .

а б

–  –  –

Аномальным выглядит присутствие кальция на поверхности стали Р6М5 .

Наличие кальция можно объяснить воздействием естественных природных загрязнений (например, моющих средств). В образце, подвергнутом воздействию механической обработки, на поверхности обнаружено значительное содержание кремния в виде оксида кремния (SiO2); данный элемент быстро исчезает под действием ионного травления, что указывает на его локализацию в слоях углеводородных загрязнений. Также следует отметить отсутствие натрия и азота в поверхностных слоях образца после ЭХРО, т. е. продукты реакции электрохимической обработки эффективно удаляются с поверхности .

Суммируя результаты РФЭС-анализа поверхности стали марки Р6М5 до и после электрохимической размерной обработки в растворе NaNO3, подчеркнем следующее. Во-первых, поверхность стали Р6М5 как до, так и после ЭХРО покрыта слоем оксида железа толщиной около 10–15 нм, на поверхности присутствуют углеводороды и OH–-загрязнения толщиной примерно 5 нм. Во-вторых, поверхностный слой оксида железа насыщен хромом в образцах до и после электрохимической обработки; в случае ЭХРО под слоем, обогащенным хромом, присутствует слой, насыщенный молибденом. В-третьих, среднее содержание молибдена и вольфрама в поверхностных слоях стали Р6М5 после ЭХРО в два раза ниже, чем после механической обработки. В-четвертых, под слоем оксида железа (хрома и молибдена) расположен слой металла с высоким содержанием углерода, химически связанного с железом, в котором содержание растворенного углерода выше заданного для объема данной марки стали уровня в 0,7–1,5 вес.%. Кроме того, продуктов реакции электрохимической обработки, содержащих азот и натрий, на поверхности стали не обнаружено .

4.1.3. Анализ поверхности стали ХВГ методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии На рис. 4.13 представлены обзорные РФЭ-спектры поверхности стали марки ХВГ после 10 мин ионной Ar+-чистки, отражающие элементный состав приповерхностных слоев стали до и после ЭХРО. Анализ спектров позволяет выделить (в рамках чувствительности РФЭС-метода) основные компоненты поверхностных слоев стали ХВГ: Fe, C, O, Cr, W, Si, Ca, Mn .

Все перечисленные элементы, за исключением кальция, входят в состав стали марки ХВГ. Линии аргона из обсуждения исключены, поскольку данный элемент насыщает поверхностные слои в процессе ионной бомбардировки Ar+ в течение РФЭС-анализа. На рис. 4.14–4.18 приведены спектры основных РФЭС-уровней в зависимости от времени стравливания ионным пучком поверхностных слоев стали. Отметим, что образец ХВГ после механической обработки был исследован на глубину примерно 100 нм, а образец после электрохимической размерной обработки – на глубину 46 нм .

а б Рис. 4.13. Обзорные РФЭ-спектры поверхности стали ХВГ (образцы чистились ионным пучком в течение 10 мин, что соответствует удалению около 60 нм поверхностного слоя:

а – после МО; б – после ЭХРО Рис. 4.14. РФЭ-спектры Fe2p железа, O1s кислорода и C1s углерода поверхности стали ХВГ после МО (спектры показаны по мере роста времени ионного Ar+-травления, соответствующего удалению поверхностных слоев в течение 1120 с ионного травления, что соответствует примерно 100 нм стравленного слоя) Рис. 4.15. РФЭ-спектры Cr2p хрома, Mo3d молибдена и Si2p кремния поверхности стали ХВГ после МО (спектры показаны по мере роста времени ионного Ar+-травления, соответствующего удалению поверхностных слоев в течение 1120 с ионного травления, что соответствует примерно 100 нм стравленного слоя) Рис. 4.16. РФЭ-спектры Fe2p железа, O1s кислорода и C1s углерода поверхности стали ХВГ после ЭХРО (спектры показаны по мере роста времени ионного Ar+-травления, соответствующего удалению поверхностных слоев в течение 500 с ионного травления, что соответствует примерно 46 нм стравленного слоя) Рис. 4.17. РФЭ-спектры Cr2p хрома, W4f вольфрама и Mn2p марганца поверхности стали ХВГ после ЭХРО (спектры показаны по мере роста времени ионного Ar+-травления, соответствующего удалению поверхностных слоев в течение 500 с ионного травления, что соответствует примерно 46 нм стравленного слоя)

–  –  –

Рис. 4.18. РФЭ-спектры Mo3d молибдена, Si2p, 2s кремния и Na1s натрия поверхности стали ХВГ после ЭХРО (спектры показаны по мере роста времени ионного Ar+-травления, соответствующего удалению поверхностных слоев в течение 500 с ионного травления, что соответствует примерно 46 нм стравленного слоя) Выводы, которые можно сделать на основании РФЭ-спектров железа Fe2p, кислорода O1s и углерода C1s для стали ХВГ, близки к выводам для описанных в предыдущих параграфах марок стали Х12МФ и Р6М5. Поверхность образцов стали ХВГ покрыта слоем оксидов толщиной примерно 10– 15 нм, основу которых составляет оксид железа (Fe2O3). На поверхности окисленного слоя присутствуют углерод и кислород в виде углеводородов, сажи, молекулярной воды и т. д. Полосы в спектрах кислорода в области 532–534 эВ указывают на присутствие поверхностных OH–-групп и молекулярной воды, что свидетельствует о наличии гидроксида железа на поверхности стали, т. е. тонкого слоя ржавчины. Этот факт относится ко всем трем изученным маркам стали .

Говоря конкретно о марке стали ХВГ, необходимо отметить, что на спектрах O1s (см. рис. 4.14 и 4.16), относящихся к поверхности доионной Ar+-чистки, составляющая от OH–-групп больше при механической обработке. После электрохимической обработки вклад от данной полосы несколько снижается (рис. 4.19) .

Рис. 4.19. РФЭ-спектры кислорода на поверхности стали ХВГ после МО и последующей ЭХРО (спектры разложены на состояния кислорода от оксидов (Me – O), органических групп C – H – O, гидроксогрупп и молекул воды) Данный факт указывает на меньшую коррозию поверхности стали ХВГ после ЭХРО. Однако возможно другое объяснение уменьшения высокоэнергетичной составляющей в O1s-спектре. Как видно из оценок атомных концентраций элементов на поверхности стали ХВГ (рис. 4.20) поверхность стали после механической обработки в большей степени «загрязнена» углеводородами. Если в состав углеводородов входит кислород, то соответственно растет вклад от данного состояния кислорода O1s, который также находится в области энергий связи примерно 532–533 эВ .

–  –  –

Рис. 4.20. Процентное содержание элементов Fe, O, C, Cr, Mo, W, Co, Ca, Na и Si в поверхностных слоях стали ХВГ по мере удаления от поверхности (время травления 500 с соответствует 46 нм поверхностного слоя).

Гистограммы построены для поверхности стали:

а – до ЭХРО; б – после ЭХРО Чтобы ответить на вопрос, связаны ли данные состояния кислорода с OH–-группами или они относятся к кислороду в органических загрязнениях, сделаны оценки соотношения между высокоэнергетичными составляющими в O1s-спектре кислорода и концентрацией углерода на поверхности. Это соотношение колеблется от 0,3 до 0,4, т. е. наблюдается корреляция между поверхностными C-загрязнениями и слабосвязанными состояниями кислорода на поверхности. Таким образом, нельзя однозначно утверждать, что на поверхности сталей присутствует гидроксид железа (Fe (OH)3). Но если данная форма железа имеется, она в большей степени характерна для механически обработанной стали, нежели для поверхности стали после ЭХРО .

На поверхности стали ХВГ до ЭХРО хром присутствует в незначительном количестве в Cr3+-состоянии (Cr2O3) (см. рис. 4.15). После удаления 10– 15 нм поверхностных слоев хром переходит в металлическое состояние, образуя твердый раствор в железе. Концентрация хрома в поверхностных окисленных слоях превышает объемное значение (1 вес.%). На глубине 50–100 нм содержание хрома приближается к объемной концентрации .

Также на поверхности обнаружено достаточно много кальция в двухвалентном состоянии, данный элемент исчезает на глубине более 20 нм .

Кремний присутствует только на поверхности в виде оксида кремния (SiO2) .

После ЭХРО на поверхности стали ХВГ хром не обнаружен (см. рис. 4.17), но появляется сразу после удаления C-загрязнений в виде оксида хрома (Cr2O3), имеет максимум концентрации на глубине 7 нм (также в форме оксида хрома), глубже 20 нм он присутствует в стали в металлическом состоянии. Вольфрам на поверхности тоже отсутствует, он обнаружен на глубинах больше 20 нм в металлическом состоянии. Это же можно сказать о марганце, слабые линии которого наблюдаются в РФЭ-спектрах на глубине примерно 7 нм, в расположенных ниже слоях марганец присутствует в виде металла. Кальций отсутствует на поверхности ХВГ после ЭХРО, кремний локализован на поверхности в SiO2-состоянии (см. рис. 4.18) .

На рис. 4.21 представлены профили распределения элементов по глубине поверхностных слоев стали ХВГ относительно основного элемента – железа. Снова отметим, что хром и марганец демонстрируют слабый максимум распределения в образце после ЭХРО, приходящийся на поверхностный слой оксида железа. Концентрация вольфрама, напротив, в поверхностных слоях стали снижается. В образце до ЭХРО в поверхностных слоях, а именно в слое углеводородных загрязнений, присутствуют в аномально высокой концентрации кальций и кремний .

а б Рис. 4.21. Профили распределения атомных соотношений Cr / Fe, O / Fe, C / Fe, W / Fe, Mn / Fe, Ca / Fe, Si / Fe, P / Fe и Na / Fe по глубине поверхностных слоев стали ХВГ:

а – после МО; б – после ЭХРО После электрохимической обработки на поверхности обнаружен натрий (см. рис. 4.18), который является, вероятно, составляющей NaNO3 – солевого раствора электрохимического процесса. Появление натрия после удаления углеводородов с поверхности свидетельствует о том, что C-загрязнения осели на поверхности после ЭХРО, т. е. поверхностные углеродные примеси никак не связаны с природой поверхности и методами ее обработки. Однако данный слой углерода катастрофически снижает интенсивность сигнала от поверхности собственно стали, что затрудняет анализ поверхности в масштабах единиц нанометров, где важно выделение тонких защитных слоев, легирующих сталь металлов и кремния .

В целом, сопоставляя поверхности стали ХВГ до электрохимической размерной обработки и после нее, можно прийти к следующим заключениям. Во-первых, поверхность стали ХВГ покрыта плотным слоем углеводородов, причем в образце до ЭХРО этот слой значительно больше. Показано, что слой углеводородных загрязнений образовался на поверхности стали после механической и электрохимической обработок и не связан с изучаемыми методиками подготовки поверхности .

Во-вторых, за счет естественного окисления на поверхности стали сформирован слой оксида, состоящий в основном из Fe2O3 толщиной 10– 15 нм. В-третьих, электрохимическая размерная обработка не приводит к существенному изменению толщины окисленного слоя. Химический состав поверхностных слоев несколько отличается до и после проведения ЭХРО. Кроме того, на поверхности стали, обработанной ЭХРО, обнаружен натрий – один из компонентов солевого раствора электрохимического процесса .

Суммируя полученные данные, можно констатировать, что предлагаемые режимы ЭХРО легированных сталей не приводят к существенному изменению состава поверхностных слоев сталей и, следовательно, не ухудшают коррозионные характеристики этих материалов. Толщина естественного оксидного слоя на поверхности сталей после механической обработки на воздухе составляет 10–15 нм и не изменяется после ЭХРО. Поверхностный оксидный слой в своей основе представляет собой Fe2O3; из легирующих добавок на поверхности явным образом выделяется хром в виде Cr2O3 .

Также можно говорить о сегрегации в поверхностных слоях молибдена и марганца, при этом увеличение концентрации вольфрама на поверхности не отмечается. Все легирующие металлы присутствуют в поверхностном слое в форме высших оксидов. Отличие для поверхностей сталей до и после ЭХРО заключается в большем насыщении поверхностных слоев хромом (особенно в случае стали Х12МФ) и меньшем содержании в данных слоях молибдена и вольфрама. Отметим, что в образцах, подвергнутых электрохимической обработке, на поверхности не обнаружен кремний, присутствующий в виде SiO2 непосредственно на поверхности стали до проведения ЭХРО. Другой вывод, который следует из проведенных исследований, – отсутствие на поверхности сталей после электрохимической обработки продуктов реакции: соединений натрия и азота (NO3–). Исключение составляет сталь марки ХВГ, на поверхности которой обнаружены либо собственно молекулы применяемого в ЭХРО раствора NaNO3, либо продукты его реакции с металлами стали. Отдельно необходимо подчеркнуть высокую эффективность метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии при исследовании состава и химических связей в поверхностных слоях легированных сталей после ЭХРО. Для увеличения чувствительности метода РФЭС при изучении поверхности сталей следует методически избавляться от слоя углеводородов на поверхности, толщина которого составляет около 5 нм. Здесь можно рекомендовать отмывать образцы непосредственно перед РФЭС-анализом (перед помещением в вакуумную камеру) в летучих углеводородных растворителях .

4.2. Исследование микрорельефа и фазового состава поверхности инструментальных сталей, образующейся в результате электрохимического формообразования 4.2.1. Исследование микрогеометрии и фазового состава поверхности образцов стали У8 Особенности формирования поверхности и ее шероховатости при анодном растворении инструментальных сталей в процессе их ЭХРО при изготовлении различного сложнопрофильного инструмента связаны с микрогетерогенностью этих систем, негомогенностью структуры поверхности и, следовательно, с неоднородностью электрохимических свойств отдельных участков поверхности. Это, как правило, многофазные системы, основой которых являются твердые растворы. Наложение анодного потенциала на поверхность сплава приводит к принудительному перераспределению плотности тока между микроучастками, представляющими различные фазы .

Вызванные этим различия скорости растворения на микроучастках обусловливают образование микронеровностей на электродной поверхности. Высота микронеровностей зависит не только от размера зерен и предварительной механической и термической обработки, но и от анодного потенциала поверхности и состава электролита .

В этой главе приведены результаты исследования поверхности образцов инструментальных сталей 9ХС, Р6М5, У8, Х12, Х12МФ и ХВГ после электрохимической размерной обработки. Целью исследований являлось установление влияния фазового и химического состава сталей, а также параметров обработки на микрошероховатость поверхности, образующейся в процессе ЭХРО. В качестве стандартных использовали образцы цилиндрической формы высотой 6 мм и диаметром 12 мм. Часть образцов была термообработана в соответствии с ГОСТами на каждую сталь. Торцевые поверхности образцов были прошлифованы на плоскопараллельном шлифовальном станке абразивным кругом средней мягкости. Обработку поверхностных слоев образцов различных материалов производили на станке электрохимической размерной обработки ЭС-4000. Частота вибрации электрода-инструмента равнялась 50 Гц, амплитуда – 0,32 мм. Длительность импульса технологического напряжения, синхронизированного с колебаниями электрода-инструмента и подаваемого при сближении электродов, лежала в интервале 2750–3000 мкс. Амплитудное значение напряжения – 6–7 В. Причем форма импульса была согласована с изменением межэлектродного промежутка с понижением в конце импульса напряжения с максимальной величины до величины менее напряжения пробоя и достаточной для поддержания потенциала транспассивного анодного растворения. Окончание импульса осуществляется непосредственно перед зоной возможного контакта электродов. Электролитом являлся 10 %-й водный раствор NaNO3. Электрод-инструмент имел гладкую рабочую поверхность .

Микрогеометрию поверхности стандартных образцов после ЭХРО исследовали с помощью растрового электронного микроскопа Tesla BS-301 и сканирующего туннельного микроскопа СММ-2000Т [72–74] .

На рис. 4.22 представлена фотография повехности стали У8, участок которой после электрохимической обработки был подвергнут исследованию. Кроме того, на рис. 4.22 на фотоснимке изображены два окна персонального компьютера (ПК) и две фотографии изучаемой поверхности, сделанные с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Окно Section Roughness Analysis содержит три графика: график полученного в результате сечения профиля, гистограмму распределения точек профиля по высотам и график интеграла от гистограммы (на каждом графике вертикальная ось – ось у, горизонтальная ось – ось х). Для определения параметров и координат точек кривых в окне имеются четыре измерительных маркера (две вертикальных и две горизонтальных линии на графиках). Координаты маркеров указываются в подписях к осям графиков. В нижней части окна указываются рассчитанные по профилю параметры шероховатости профиля .

Окно Area Roughness Analysis структурно выглядит аналогично окну Section Roughness Analysis. График, по которому определяются параметры шероховатости, строится компьютерной программой для выбранного прямоугольника интегрального профиля. Интегральный профиль строится с помощью объединения профилей, полученных в результате сечения поверхности по линиям, параллельным сторонам выбранного прямоугольника .

Построение интегрального профиля начинается с получения сечения поверхности по верхней или левой стороне прямоугольника (аналогично получению профиля при расчетах шероховатости по профилю). У полученного профиля исключается наклон, и для него рассчитывается средний шаг неровности профиля Sm .

По рассчитанному Sm и значению параметра Correlation определяется расстояние между сечениями DL = Sm Correlation, на рис. 4.22 Sm = 497,7 нм, Correlation составляет 1,2 нм (профили, полученные сечением поверхности линиями, проведенными с таким шагом, считаются корреляционно независимыми, выбор коэффициента корреляции возлагается на пользователя). Затем в прямоугольнике проводятся линии, параллельные верхней или левой стороне, с расстоянием между ними, равным DL. Для каждой из линий строится профиль, у которого исключается наклон. Затем у каждого из полученных профилей выделяется центральная часть (часть, лежащая между ближайшими к концам профиля нулями, т. е. точками пересечения профиля с его средней линией). Интегральный профиль получается объединением («склеиванием») центральных частей всех профилей в один общий профиль .

Рис. 4.22. Выведенные на экран ПК параметры шероховатости поверхности стали У8, образованной в результате ЭХРО На гистограмме высот точек профиля Hist ось Y гистограммы совпадает с осью Y графика профиля. По оси Y отложены высоты точек профиля, Y является независимой переменной графика. По оси X отложено количество точек профиля (в процентном соотношении от общего количества точек профиля), имеющих данную высоту (данное Y). Кроме гистограммы, на графике имеется два измерительных горизонтальных маркера, предназначенных для измерения параметров гистограммы и графика Bearing. Значения Х в точках пересечения гистограммы с маркерами и разность этих значений выводятся под гистограммой. При измерении шероховатости по прямоугольнику средней линией профиля считается наклонная прямая, проведенная через точки интегрального профиля методом наименьших квадратов. При измерении шероховатости по одномерному сечению (профилю) средней линией профиля считается горизонтальная прямая, проведенная через точки профиля методом наименьших квадратов .

Параметры шероховатости поверхности стали У8 после ЭХРО, измеренные по профилю и по прямоугольной области, сведены в табл. 4.1 .

–  –  –

Практически все параметры шероховатости по профилю близки по своим значениям к параметрам шероховатости по прямоугольной области .

Однако наиболее важный, используемый практически во всех ГОСТах, параметр Rz и, как следствие, Rmax, измеренный по прямоугольной области, более чем в два раза превышает значение Rz, измеренное по профилю. Далее в работе будут использоваться параметры шероховатости, определяемые по интегральному профилю для выбранной на исследуемой поверхности прямоугольной области как более объективные .

Фазовый анализ поверхности инструментальных сталей, проведенный перед ЭХРО, показал практически одинаковую картину, а именно:

структура всех сталей представлена перлит-эвтектикой, состоящей из феррита и цементита, показанных на фотографии, изображенной на рис. 4.23 .

Фазовый анализ поверхности стали У8, проведенный после ЭХРО, также показывает, что ее структура представлена почти чистой перлит-эвтектикой, состоящей из феррита (-твердого раствора) и цементита (Fe3C) .

Рис. 4.23. Фазовый состав стали Р6М5 до ЭХРО

Пограничная прослойка феррита всегда обогащена углеродом и может даже трансформироваться в аустенит – твердый раствор углерода в модификации железа, период решетки которого колеблется по содержанию углерода от 0,85 до 1,7 % [25]. В результате граница зерен феррита становится катодом, а сердцевина пограничных участков зерна – анодом. Тогда при электрорастворении анода образуются впадины, а границы зерен феррита становятся выпуклыми. При этом наблюдается бугристость поверхности, что приводит к возникновению на ней частых питтингов различной конфигурации (см. рис. 4.22). Такая морфология является следствием равномерного распределения карбида железа в виде мелких образований, располагающихся как по границам зерен, так и в их массе. Анализируя график интегрального профиля, можно оценить максимальную высоту выступов (40,50 нм) и максимальную глубину впадин (–48,23 нм), а также смещение средней линии профиля относительно нулевого уровня полученной при ЭХРО поверхности стали. При анодном растворении стали У8 можно сделать вывод о преобладании выступов над впадинами в образующейся поверхности, что хорошо согласуется с гистограммой Hist. Глубина питтингов составляет 11–48 нм .

4.2.2. Исследование микрогеометрии и фазового состава поверхности образцов стали Х12 На рис. 4.24 представлена фотография поверхности стали Х12, подвергнутой исследованию шероховатости после электрохимической обработки. Кроме того, на рис. 4.24 представлены графики и гистограммы профиля, полученного в результате сечения изображенной поверхности по линии, и интегрального профиля прямоугольной области. Две фотографии изучаемой поверхности сделаны с помощью СТМ. Параметры шероховатости поверхности стали Х12 после ЭХРО, измеренные по профилю и по прямоугольной области, приведены в табл. 4.2 .

Таблица 4.2 Параметры шероховатости стали Х12 после ЭХРО по профилю и по прямоугольной области

–  –  –

Практически все параметры шероховатости по профилю отличаются по своим значениям от параметров шероховатости по прямоугольной области. Более объективными следует считать параметры шероховатости, определяемые по интегральному профилю для выбранной на исследуемой поверхности прямоугольной области .

Рис. 4.24. Выведенные на экран ПК параметры шероховатости поверхности стали Х12, образованной в результате ЭХРО Фазовый анализ мартенситной стали Х12 показывает кроме цементита присутствие избыточных фаз в основном карбидов хрома (например, Cr7C3). Карбиды хрома выделяются по границам зерен твердого раствора. Вблизи зон, обедненных хромом, происходит избирательное электрорастворение. При высоких потенциалах карбиды хрома по-прежнему сохраняют пассивное состояние; увеличивается скорость растворения зон твердого раствора, прилегающих к карбидным образованиям. Наблюдается выпадение карбидных фаз (образование каверн) и образование кратеров. Необходимо отметить, что для хромистых сталей с возможностью образования карбидов хрома при их анодном растворении в растворах нейтральных солей характерно выпадение пластинок карбидов хрома на поверхности электрода вследствие меньшей скорости их растворения по сравнению с основой сплава. Потоком раствора электролита они смываются с поверхности в объем раствора, т. е. происходит процесс дезинтеграции компонентов сплава. Анализируя график интегрального профиля, можно оценить максимальную высоту выступов (60,84 нм) и максимальную глубину впадин (–38,69 нм), а также смещение средней линии профиля относительно нулевого уровня полученной при ЭХРО поверхности стали. При анодном растворении стали Х12 можно сделать вывод о преобладании впадин над выступами в образующейся поверхности, что видно по смещению средней линии профиля относительно нулевого уровня в отрицательную сторону. На гистограмме Hist также видно преобладание количества впадин над общим числом выступов. Глубина питтингов составляет 1,4–38 нм .

4.2.3. Исследование микрогеометрии и фазового состава поверхности образцов стали 9ХС На рис. 4.25 изображена фотография повехности стали 9ХС, а также приведены результаты исследования шероховатости характерного участка поверхности данной стали после ЭХРО. Параметры шероховатости поверхности стали 9ХС после ЭХРО, измеренные по профилю и по прямоугольной области, приведены в табл. 4.3 .

–  –  –

Структура инструментальной стали 9ХС, также как и стали Х12, представляет собой твердый раствор мартенсита, в котором кроме карбидов железа и хрома присутствуют силициды железа (например, FeSi2 и FeSi) .

Зерна данных фаз являются диэлектриками. Поэтому механизм анодного растворения этой стали отличается от анодного растворения стали Х12 тем, что происходит механическое вымывание силицидов железа потоком раствора электролита с поверхности, образующейся при ЭХРО .

При малых межэлектродных промежутках, являющихся результатом импульсно-циклического метода ЭХРО, такое вымывание приводит к резкому ухудшению поверхности детали (находящейся в соприкосновении с потоком электролита), подвергаемой воздействию токов рассеивания вне межэлектродного промежутка (рис. 4.26) .

а б Рис. 4.26. Фотографии вставки-полуматрицы в многоместную пресс-форму для изготовления буферов капота ВАЗ–2108:

а – из стали 9ХС; б – из стали ХВГ Кроме того, зерна силицидов железа, попадающие в межэлектродный промежуток, препятствуют нормальной работе системы слежения за межэлектродным промежутком. В результате фиксирования следящей системой «ложного» механического контакта катода с анодом, МЭП увеличивается, что приводит к потере точности при изготовлении деталей. Меньшее, чем в стали Х12, количество карбида хрома позволило приблизить среднюю линию профиля к нулевому уровню, т. е. полученное количество выступов и впадин приблизительно одинаково. Максимальная высота выступа 36,93 нм, максимальная глубина впадины 39,69 нм .

4.2.4. Исследование микрогеометрии и фазового состава поверхности образцов стали ХВГ На рис. 4.27 представлена фотография поверхности стали ХВГ, на которой показан характерный участок поверхности данной стали после ЭХРО (фотография, сделана с помощью РЭМ), подвергнутый исследованию шероховатости. Кроме того, на рис. 4.27 представлены графики и гистограммы профиля, полученного в результате сечения изображенной поверхности по линии, и интегрального профиля прямоугольной области. Параметры шероховатости поверхности стали ХВГ после ЭХРО, измеренные по профилю и по прямоугольной области, приведены в табл. 4.4 .

–  –  –

Рис. 4.27. Выведенные на экран ПК параметры шероховатости поверхности стали ХВГ, образованной в результате ЭХРО Структура инструментальной стали ХВГ после ЭХРО представлена чистой перлит-эвтектикой, состоящей из феррита (-твердого раствора) и цементита. Кроме этого, присутствуют хром, марганец и карбид вольфрама (WC1–x). Растворение данной стали аналогично растворению стали У8 (идет с образованием питтингов, глубина которых составляет 2,5–39,5 нм). Отсутствие на поверхности карбидов хрома указывает на то, что процесс дезинтеграции компонентов сплава (удаление пластинок карбидов хрома потоком электролита с поверхности в объем раствора) происходит очень активно. Небольшое количество карбида вольфрама и чистого вольфрама образуют в водном растворе нитрата натрия пассивационные пленки, состоящие из сложных оксидов вольфрама (Wn O х–n ), которые препятствуют паразитному растравливанию поверхности токами рассеяния и таким образом повышают точность обработки .

Анализируя график интегрального профиля, можно оценить максимальную высоту выступов (44,06 нм) и максимальную глубину впадин (–39,38 нм), а также смещение средней линии профиля относительно нулевого уровня полученной при ЭХРО поверхности стали. При анодном растворении стали ХВГ можно сделать вывод о небольшом преобладании впадин над выступами в образующейся поверхности, что видно по незначительному смещению средней линии профиля относительно нулевого уровня в отрицательную сторону. На гистограмме Hist также видно малое преобладание количества впадин над общим числом выступов .

Глубина питтингов составляет 2,48–39,38 нм .

4.2.5. Исследование микрогеометрии и фазового состава поверхности образцов стали Х12МФ На рис. 4.28 приведены фотография и гистограммы шероховатости профиля характерного участка поверхности стали Х12МФ, образующейся в результате ЭХРО. Параметры шероховатости поверхности стали Х12МФ после ЭХРО, измеренные по профилю и по прямоугольной области, приведены в табл. 4.5 .

–  –  –

Фазовый анализ поверхности стали Х12МФ показывает наличие твердого раствора мартенсита, в котором присутствуют хром, ванадий и оксид ванадия (VO). Анодное растворение данной стали в водном растворе нитрата натрия начинается в активной области с растворения молибдена. В дальнейшем электрорастворение идет с образованием питтингов почти аналогично растворению стали ХВГ кроме одного момента: в растворе нитрата натрия скорость растворения зерен карбида ванадия (VC) намного ниже скорости растворения остальных компонентов, поэтому крупнозернистая фаза карбида ванадия вымывается потоком электролита с образованием кратеров. Оксид ванадия и чистый ванадий в водном растворе нитрата натрия образуют тонкие пассивационные пленки, препятствующие паразитному растравливанию поверхности токами рассеяния и таким образом повышающие точность обработки .

Анализируя график интегрального профиля, можно оценить максимальную высоту выступов (44,89 нм) и максимальную глубину впадин (–47,48 нм), а также смещение средней линии профиля относительно нулевого уровня полученной при ЭХРО поверхности стали. При анодном растворении стали Х12МФ можно сделать вывод о равенстве впадин и выступов в образующейся поверхности, что видно по совпадению средней линии профиля и нулевого уровня. На гистограмме Hist видно, что значения высот и глубин практически всех выступов и впадин лежат в достаточно узком интервале. Совпадение средней линии профиля с нулевым уровнем поверхности, а также то, что практически все величины высот и глубин выступов и впадин лежат в узком интервале 10…–10 нм, характеризует высокое качество образующейся при ЭХРО поверхности. Глубина основной массы питтингов составляет 1,26–10 нм .

4.2.6. Исследование микрогеометрии и фазового состава поверхности образцов стали Р6М5 На рис. 4.29 расположена фотография и гистограммы профиля характерного участка поверхности стали Р6М5 после ЭХРО. Параметры шероховатости поверхности стали Р6М5 после ЭХРО, измеренные по профилю и по прямоугольной области, сведены в табл. 4.6 .

–  –  –

Замечательное свойство быстрорежущих сталей – высокая красностойкость, т. е. способность сохранять высокую твердость при нагревании до 600–650 °С (при больших скоростях резания). Красностойкость определяется в основном двумя факторами: химическим составом и термической обработкой. Быстрорежущая сталь Р6М5 имеет сложный химический состав. Наиболее важным легирующим элементом является вольфрам (6 %) .

Она содержит также ванадий (1 %). Вольфрам и ванадий почти целиком находятся в виде карбидов, которые, растворяясь в кристаллической решетке железа, обеспечивают красностойкость сталей. Кроме того, в составе стали присутствуют хром (3–4,5 %), большая часть которого растворяется в кристаллической решетке железа, и молибден (5 %). Структура закаленной быстрорежущей стали Р6М5 содержит около 50 % легированного мартенсита, 30–40 % легированного остаточного аустенита и некоторое количество карбидов, которые при нагреве не перешли в аустенит [69] .

После неоднократного отпуска структура стали состоит из мелкоигольчатого мартенсита и карбидов .

Рис. 4.29. Выведенные на экран ПК параметры шероховатости поверхности стали Р6М5, образованной в результате ЭХРО Фазовый анализ поверхности стали Р6М5 после ЭХРО показывает наличие мартенсита, хрома, карбидов железа (Fe4C0,63, Fe3W3C), нитрида молибдена (Mo3N2), сложного оксида MoWO2,4N2,1 (рис. 4.30) .

Рис. 4.30. Фазовый состав поверхности стали Р6М5 после ЭХРО

Анодное растворение данной стали в водном растворе нитрата натрия происходит по сложному механизму. В активной области растворяется молибден. Твердый раствор с карбидом железа растворяется в пассивной области, карбиды хрома и нитрид молибдена – в транспассивной области. Мелкозернистые пластины тугоплавких соединений Fe3 W3C и MoWO2,4N2,1 вымываются потоком электролита после растравливания по границам зерен. В результате получается развитая поверхность с преобладанием впадин, пор, каверн над выступами, причем выступы состоят в основном из тугоплавких фаз. Наличие на поверхности соединений вольфрама в достаточном количестве не только препятствует паразитному растравливанию токами рассеяния, но и требует использования более высоких плотностей тока для эффективного съема материала анода .

Анализируя график интегрального профиля, можно оценить максимальную высоту выступов (94,96 нм) и максимальную глубину впадин (–78,23 нм), а также смещение средней линии профиля относительно нулевого уровня полученной при ЭХРО поверхности стали. При анодном растворении быстрорежущей стали Р6М5 можно сделать вывод о значительном преобладании впадин над выступами в образующейся поверхности, что видно по существенному смещению средней линии профиля относительно нулевого уровня в отрицательную сторону. На гистограмме Hist также видно преобладание количества впадин над общим числом выступов. Глубина питтингов составляет 16,1–78,23 нм .

Анализ качества поверхности различных сталей после электрохимической размерной обработки показал следующее. Обычно растворение сталей всех марок при ЭХРО происходит с образованием питтингов, размер и характер которых в первую очередь определяются химическим и фазовым составом анода и, как следствие, значением налагаемого потенциала, а во вторую – природой аниона электролита. Растворение в диапазоне потенциалов активной области растворения характеризуется мелкодисперсной питтинговой поверхностью (стали У8, 9ХС). По мере роста потенциала эти питтинги разрастаются в диаметре, несколько углубляются и сливаются, число их на единицу поверхности уменьшается, поверхность принимает кратерообразный характер и наблюдается «волнистость» (стали Х12, ХВГ). Это происходит в области транспассивного растворения. В области пассивного растворения плотность питтингов наименьшая, и расположены они в местах образования пор в пассивирующей пленке (сталь Х12МФ) .

Результаты исследования микрогеометрии поверхности инструментальных сталей приведены в табл. 4.7 .

–  –  –

Из табл. 4.7 хорошо видно, что основные параметры шероховатости, применяемые в ГОСТах на инструментальные стали (такие как среднеквадратичная шероховатость Rq, средняя шероховатость Rа, средняя шероховатость профиля по 10 точкам Rz), имеют наименьшие значения у стали Х12МФ, легированной переходными металлами молибденом и ванадием. Наибольшие значения параметров шероховатости быстрорежущей стали Р6М5 объясняются ее сложной структурой, обусловленной наличием в качестве легирующих компонентов большого количества вольфрама и молибдена, а также ванадия и хрома, образующих избыточные тугоплавкие фазы, растворение которых затруднено в водных растворах нейтральных солей. Значения основных параметров шероховатости остальных инструментальных сталей приблизительно одинаковы и близки к оптимальным. Следует отметить, что использование электрохимической размерной обработки при формообразовании рабочих поверхностей различных деталей, изготовленных из сталей типа 9ХС, 30ХГСА и других, затруднено. Это вызвано тем, что применяемый в качестве легирующей добавки кремний, а также соединения, которые он образует в стали с другими компонентами, являются диэлектриками. При анодном растворении таких сталей происходит не только вынос диэлектрических зерен, имеющих достаточно большие размеры, потоком электролита из межэлектродного промежутка, но и паразитное растравливание поверхности деталей токами рассеяния в местах соприкосновения раствора электролита с поверхностью детали .

Изучение влияния параметров импульсно-циклической электрохимической обработки в нитратных водных растворах на качество поверхности показывает следующее. При амплитуде импульсного потенциала а = 6 В микрошероховатость поверхности стали Х12МФ Rа достигает 0,04 мкм;

растравливания по границам зерен не наблюдается; имеет место послойный съем металла, хотя отдельные питтинги наблюдаются даже при сравнительно высокой чистоте поверхности. Вибрация катода с колебаниями, направленными нормально к поверхности анода, усиливает эффект выравнивания микрорельефа анода, если импульс технологического напряжения подается при максимальном сближении электродов и синхронизирован по частоте с колебаниями катода. Таким образом, механические колебания, резонирующие с электрочастотами, способствуют депассивации выступающего рельефа поверхности анода, что и является причиной выравнивания микропрофиля. Применение вибрирующего катода повышает чистоту поверхности при анодном растворении на 1–2 класса .

4.3. Исследование микрогеометрии рабочей поверхности металлообрабатывающего инструмента, изготовленного различными методами металлообработки Автором проводился сравнительный анализ параметов шероховатости поверхности плоских резьбонакатных плашек, изготовленных тремя принципиально различными методами:

– обработкой резанием или механической обработкой на фрезерном станке с числовым программным управлением (ЧПУ) (рис. 4.31, а);

– электроэрозионной обработкой (ЭЭО) на станке SODIC (рис. 4.31, б);

– анодным электрохимическим формообразованием на станке ЭС-4000 (рис. 4.31, в) [75] .

а б в

Рис. 4.31. Поверхность накатной плашки, изготовленной:

а – фрезерованием; б – электроэрозионной обработкой; в – ЭХФ Марка стали, из которой изготовлены накатные плашки, – Х12МФ .

На рис. 4.32–4.34 представлены фотографии данной стали и результаты измерений параметров шероховатости по интегральному профилю в прямоугольной области на выступах (левые фотографии и гистограммы) и во впадинах (правые фотографии и гистограммы) рельефа резьбонакатной плашки .

Результаты исследований приведены в табл. 4.8 .

Рис. 4.32. Выведенные на экран ПК параметры шероховатости поверхности накатной плашки, изготовленной фрезерованием на станке с ЧПУ Рис. 4.33. Выведенные на экран ПК параметры шероховатости поверхности накатной плашки, изготовленной на электроэрозионном станке Рис. 4.34. Выведенные на экран ПК параметры шероховатости поверхности накатной плашки, изготовленной на электрохимическом станке Таблица 4.8 Параметры шероховатости рабочей поверхности резьбонакатного инструмента после различных видов металлообработки

–  –  –

Основываясь на проведенных измерениях, можно отметить следующие общие для всех методов обработки закономерности. Микропрофиль на выступах рельефа накатной плашки более сглажен, чем во впадинах .

При механической обработке это объясняется тем, что при финишной слесарной доводке поверхности плашки после термообработки до впадин труднее добраться доводочным инструментом, чем до выступов. В случае электроэрозионной обработки это обусловлено более интенсивным износом (электрокоррозией) выступающих частей электрода-инструмента, которые оформляют впадины на рельефе плашки. В случае анодного электрохимического формообразования более высокую шероховатость впадин можно объяснить гидродинамическими причинами (затрудненное движение потока электролита во впадинах и, как следствие, увеличение турбулентности потока, приводящее к росту шероховатости) .

Анализируя значения параметров шероховатости поверхности накатных плашек, изготовленных различными методами, можно сделать следующие выводы. Во-первых, наихудшая поверхность получается при использовании электроэрозионной обработки. Этого следовало ожидать из-за принципиальной особенности метода ЭЭО. Именно в процессе обработки происходит разрушение обоих электродов (преимущественное – анода-заготовки и незначительное – катода-инструмента), происходящее под воздействием электрических разрядов в результате электрической эрозии. При этом образующаяся поверхность покрыта различного вида прижогами .

При механической обработке фрезерованием на поверхности плашки при съеме металла и его деформации образуются различные риски, заусенцы и шлифовочные прижоги. Кроме того, при термической обработке данной детали в местах, концентрирующих остаточные внутренние напряжения, таких как острые кромки выступов, возможно возникновение микротрещин. Заусенцы и риски отрицательно влияют как на качество получаемой при накатывании резьбы, так и, в комплексе с возможными микротрещинами, образующимися при термообработке, на долговечность самого накатного инструмента .

При анодном растворении поверхности, происходящем при электрохимическом формообразовании, получается наиболее качественная поверхность. Катод-инструмент не подвергается разрушению, а шероховатость поверхности напрямую зависит от качества поверхности электрода-инструмента. Термическая обработка осуществляется на этапе изготовления заготовки, обычно представляющей собой параллелепипед, грани которого шлифуются на плоскошлифовальном станке. Электрохимическое формообразование рабочей поверхности детали осуществляется уже на термообработанной заготовке, что позволяет избежать появления участков поверхности с возможными концентраторами внутренних остаточных напряжений. Финишной доводки обработанной поверхности, как в случае электроэрозионной обработки, не требуется .

4.4. Исследование микротвердости поверхностных слоев инструментальных сталей, образующихся при электрохимической размерной обработке

–  –  –

Примечание. Fdср. – разность размеров диагоналей отпечатков d алмазной пирамиды .

ЭХРО во всех образцах приводит к подтравливанию поверхности по границам зерен, а в сталях Р6М5 и 9ХС – к ухудшению поверхности (образованию каверн вследствие удаления потоком электролита непроводящих электрический ток включений) (рис. 4.35). Это обусловлено (см. п. 4.2) наличием в качестве легирующих компонентов вольфрама, окисляющегося на поверхности стали Р6М5 до нерастворимых оксидов WnOx–n, и кремния (в стали 9ХС) .

а б Рис. 4.35. Микроструктура поверхности стали 9ХС (снимки сделаны с помощью растрового электронного микроскопа, увеличение 2000):

а – стали 9ХС после ЭХРО; б – стали Р6М5 после ЭХРО Измерить твердость поверхностного слоя и структурных составляющих, относящихся к разным фазам, позволяет прибор ПМТ-3. На образцах стали У8, где размер разных фаз превышал диагональ отпечатка, каждая фаза измерялась отдельно. На остальных материалах фазовые составляющие были более дисперсными, и поэтому такого разделения не проводилось. В стали У8 у поверхности (край образца) образуется мартенсит и небольшое количество бейнита или перлита (на шлифе мартенсит выглядит как не протравленное белое поле, а участки бейнита или перлита кажутся пестрыми участками) (рис. 4.36, а). Далее при удалении от поверхности доля бейнита или перлита возрастает, а, начиная с расстояния 2–3 мм от края образца, участки белого цвета заполняют промежутки между пестрыми участками и являются, вероятно, остаточным аустенитом (его твердость на 1 ГПа меньше, чем мартенсита и бейнита или перлита) (рис. 4.36, б) .

а б Рис. 4.36. Микроструктура поверхности инструментальной стали У8 после ЭХРО (снимки сделаны с помощью РЭМ, увеличение 2000):

а – край образца; б – удаление от края образца на 2–3 мм Из табл. 4.9 видно, что измерения микротвердости изученных сталей до и после процедуры ЭХРО приводят к практически одинаковым значениям в пределах ошибки измерения. Небольшое упрочнение поверхности (около 8 %) наблюдается только на образцах стали Р6М5 .

Полученные результаты показывают, что микротвердость поверхностных слоев инструментальных сталей, формирующихся при импульсноциклическом методе электрохимической размерной обработки в нитратных водных электролитах, остается неизменной. Таким образом, можно сделать вывод об отсутствии наклепа, вызываемого наводороживанием поверхности. Следовательно, режимы импульсно-циклической размерной электрохимической обработки инструментальных сталей в нитратных водных электролитах не ухудшают физико-механические свойства образующейся в результате ЭХРО поверхности .

Контрольные вопросы

1. Чему равняется характерная толщина поверхностного слоя, формирующего РФЭ-спектр?

2. Каким образом можно увеличить глубину РФЭС-анализа?

3. Каким образом ЭХРО легированных сталей влияет на изменение состава поверхностных слоев?

4. Какой из легирующих компонентов явно выделяется на поверхности инструментальных сталей после ЭХРО: хром, ванадий, вольфрам или молибден?

5. В какой форме легирующие металлы присутствуют в поверхностном слое после ЭХРО?

6. С чем связаны особенности формирования поверхности и ее шероховатости при анодном растворении легированных сталей?

7. Каким образом работает питтинговый механизм растворения сталей при ЭХРО в нейтральных водных электролитах?

8. Чем объясняются наибольшие значения параметров шероховатости стали Р6М5 после ЭХРО в водных растворах нитрата натрия?

9. Чем объясняются наименьшие значения параметров шероховатости стали Х12МФ после ЭХРО в водных растворах нитрата натрия?

10. Каким образом кремний может отрицательно влиять на качество поверхности и точность при анодном ЭХФ?

11. Как влияют на шероховатость поверхности технологические параметры ЭХРО?

–  –  –

1. Напишите реферат на тему «Физические основы и особенности использования фотоэлектронной спектроскопии» .

2. Проведите сопоставительный анализ влияния ЭХРО сталей на изменение химического состава поверхностных слоев на примере сталей марок ХВГ и Р6М5 .

3. Напишите реферат на тему «Исследование микрошероховатости поверхности с помощью растровой электронной и сканирующей зондовой микроскопии» .

Глава 5. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ

ИЗДЕЛИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

5.1. Электрохимическое формообразование при изготовлении сложнопрофильного металлообрабатывающего инструмента В машиностроении при изготовлении различного инструмента и деталей машин традиционными механическими методами обработки возникают определенные проблемы, вызываемые сложной геометрической формой или недоступностью рабочих поверхностей таких деталей, либо материалом, из которого они изготовлены. В основном эти проблемы разрешаются увеличением доли ручного труда, т. е. слесарной обработки, или использованием электрофизико-химических методов обработки (в основном электроэрозионного метода как наиболее распространенного на машиностроительных предприятиях) .

В данной главе мы рассмотрим способы электрохимического формообразования таких рабочих поверхностей и устройства для их осуществления .

Вследствие сложного рельефа рабочих поверхностей одним из наиболее трудоемких в изготовлении металлообрабатывающим инструментом является резьбонакатная плашка, используемая в комплекте «подвижная – неподвижная» для накатывания резьбы на заготовки при производстве метизов .

Накатывание – процесс холодной обработки металлов методом пластической деформации. Это наиболее производительный способ изготовления резьбы. При накатывании резьбы волокна металла не перерезаются, а пластически деформируются, при этом механические свойства поверхностного слоя металла улучшаются и прочность резьбы повышается [76]. На метизно-металлургических предприятиях, в частности на Ревдинском метизно-металлургическом заводе (РММЗ) (Свердловская обл.), применяется накатывание резьбы плоскими плашками (рис. 5.1) .

Процесс накатки плоскими плашками заключается в том, что между двумя плашками, одна из которых подвижная, а вторая – нет, помещают заготовку. Подвижная плашка, совершая возвратно-поступательное движение относительно неподвижной плашки, приводит заготовку во вращательное и поступательное движение, и заготовка прокатывается между плашками .

При этом имеющиеся на плашках выступы внедряются в заготовку, образуя на ней впадины, а вытесненный металл перемещается наружу в радиальном направлении, образуя на заготовке выступы резьбового профиля. Другими словами, подвижная плашка, перемещаясь, захватывает заготовку, вращает ее, образует на ней резьбу, сбрасывает, а затем возвращается в исходное положение. Для бесперебойного осуществления данного процесса рабочие поверхности накатных плашек имеют сложную конфигурацию .

Рис. 5.1. Комплект плоских накатных плашек, а также холодновысадочные пуансоны и изделия, получаемые данным инструментом На плашке можно выделить два участка: заходной и калибрующий .

На заходном участке происходит захват заготовки, формообразование резьбы, отрезание лишнего металла-отсечки и формирование буравчика. На калибрующем участке осуществляется калибровка резьбы и буравчика, а затем сброс заготовки. Резьбообразующие канавки выполнены на заходной части таким образом, что в начале плашки они имеют острый симметричный профиль с постепенным переходом по длине заходной части к нормальной шурупной резьбе. Другими словами, резьбообразующие канавки имеют на заходе максимальную глубину, которая постепенно уменьшается .



Pages:   || 2 |








 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.