Технологическое обеспечение и повышение качества обработки протяженных отверстий при локальном принудительном электролитно-плазменном полировании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Кузьмичев Иван Сергеевич

• Кузьмичев Иван Сергеевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Кузьмичев Иван Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ И СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННИХ ПРОТЯЖЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

1.1. Анализ различных методов повышения качества обработки внутренних поверхностей

1.1.1. Абразивные технологии обработки. Разновидности абразивных методов

1.1.2. Электрофизические и электрохимические технологии. Разновидности электрофизических и электрохимических методов

1.1.3. Комбинированные технологии

1.2. Электролитно-плазменная технология

1.2.1. Физические и химические основы процесса

1.2.2. Современное состояние и развитие технологии электролитно-плазменного полирования

1.3. Классификация финишных технологий обработки внутренних протяженных поверхностей

1.4. Выводы

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Исследуемые материалы и заготовки

2.2. Определение рациональной схемы электролитно-плазменного полирования

2.2.1. Схема полирования внутренних поверхностей методом погружения

2.2.2. Схема полирования внутренних поверхностей методом принудительного электролитно-плазменного полирования

2.2.3. Схема принудительного электролитно-плазменного полирования при горизонтальной ориентации отверстия детали

2.2.4. Схема принудительного электролитно-плазменного полирования при вертикальной ориентации

2.2.5. Схема принудительного электролитно-плазменного полирования с системой охлаждения электрода-катода

2.2.6. Схема принудительного электролитно-плазменного полирования встречными потоками

2.2.7. Схема локального принудительного электролитно-плазменного полирования встречными потоками

2.3. Планирование полного факторного эксперимента

2.3.1. Варьируемые факторы процесса локального ПЭПП

2.3.2. Выбор параметров оптимизации

2.3.3. Установление области режимов процесса

2.3.4. Выбор математической модели

2.3.5. Составление плана эксперимента

2.3.6. Обработка результатов эксперимента

2.3.7. Регрессионный анализ

2.3.8. Интерполяция модели

3. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТЕЙ ОТВЕРСТИЙ

3.1. Исследование влияния параметров электролитно-плазменного полирования на качество внутренних поверхностей

3.1.1. Схема электролитно-плазменного полирования погружением изделия в электролит

3.1.2. Схемы принудительного электролитно-плазменного полирования

3.1.2.1. ПЭПП с монопотоком при горизонтальном положении обрабатываемого изделия

3.1.2.2. ЭПП с монопотоком при вертикальном положении обрабатываемого изделия

3.1.2.3. ПЭПП с системой охлаждения электрода-катода

3.1.2.4. ПЭПП встречными потоками

3.1.2.5. Локальное ПЭПП встречными потоками

3.2. Исследование технологических режимов и область применения локального ПЭПП встречными потоками

3.3. Классификация схем реализации принудительного электролитно-плазменного полирования. Показатели качества обработки

3.4. Разработка модели процесса локального принудительного электролитно-плазменного полирования встречными потоками

3.4.1. Влияние длины локальной зоны, концентрации и скорости потока электролита на показатели качества внутренних поверхностей

3.4.1.1. Определение средних значений параметров оптимизации

3.4.1.2. Определение дисперсии воспроизводимости

3.4.1.3. Определение дисперсии параметра оптимизации

3.4.1.4. Определение коэффициента регрессии

3.4.1.5. Определение дисперсии ошибки коэффициентов регрессии

3.4.1.6. Проверка значимости коэффициента регрессии

3.4.1.7. Проверка значимости коэффициента регрессии

3.4.2. Обработка результатов полнофакторного эксперимента и создание уравнений регрессии процесса локального ПЭПП

3.5. Выводы

4. ИЗУЧЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО ПОЛИРОВАНИЯ ОТВЕРСТИЙ

4.1. Физическая сущность и особенности процесса принудительного электролитно-плазменного полирования

4.2. Расчет скоростей потока электролита

4.3. Исследование скорости и подачи электролита на качество полирования внутренних поверхностей

4.4. Закономерности распределения линий напряженности электрического поля при принудительном электролитно-плазменном полировании

4.5. Расчет тепловых полей при локальном ПЭПП в зависимости от площади локальной зоны и скорости потока электролита

4.6. Выводы

5. ПРАКТИКА РЕАЛИЗАЦИИ И ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНОГО ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ОТВЕРСТИЙ

5.1. Условия применения технологии локального ПЭПП встречными потоками в производственных условиях

5.2. Устройства для автоматизации процесса локального принудительного

электролитно-плазменного полирования

5.2.1. Описание элементов конструкции и принципа функционирования

5.3. Рекомендации по разработке технологического процесса локального ПЭПП и выбор режимов полирования

5.4. Выводы

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Полнофакторный эксперимент по образцам из меди

Приложение Б. Дисперсионный анализ данных полнофакторного

эксперимента

Приложение В. Проверка регрессионных уравнений на адекватность

Приложение Г. Полнофакторный эксперимент по образцам из латуни

Приложение Д. Дисперсионный анализ данных полнофакторного

эксперимента

Приложение Е. Проверка регрессионных уравнений на адекватность

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологическое обеспечение и повышение качества обработки протяженных отверстий при локальном принудительном электролитно-плазменном полировании»

ВВЕДЕНИЕ.

В качестве финишных операций обработки изделий в промышленности широко применяются механические и электрохимические методы полирования. Полирование механическими методами тонкостенных изделий, а также изделий сложной формы проблематично ввиду наличия составляющих сил резания, способных нарушить геометрию тонкостенных изделий, а также отсутствия необходимых режущих инструментов по механическим и геометрическим параметрам.

Полирование электрохимическими методами основано на применении концентрированных многокомпонентных электролитов на базе кислот (серной, соляной и др.). Высокая токсичность электролитов, коррозия оборудования и вредные условия труда усложняют применение таких технологий обработки.

Несмотря на очевидные недостатки электрохимические и электрофизические технологии, в настоящее время, применяют на всех этапах изготовления деталей, начиная от получения заготовок и заканчивая их отделочной обработкой. Применением этих технологий решаются уникальные технологические задачи, обеспечивающие высокую точность размеров, формы и взаимного расположения, а также снятие или приращение (уменьшение или увеличение) объема обрабатываемой заготовки.

Метод, который лишен большинства описанных выше недостатков -электролитно-плазменного полирование (ЭПП). Он относится к технологиям финишной обработки токопроводящих изделий, является комбинированным методом обработки, который включает в себя электрофизические и электрохимические механизмы воздействия на поверхностный слой обрабатываемого материала.

Широкое использование электролитно-плазменного полирования в машиностроении имеет место для изделий, к которым предъявляются повышенные требования по качеству поверхностного слоя и точности изготовления, а также при необходимости снижения себестоимости обработки и увеличения производительности труда в условиях серийного и крупносерийного производства.

Актуальность метода. Электролитно-плазменное полирование может применяться в различных отраслях промышленности для полирования широкой номенклатуры изделий, в особенности для тонкостенных изделий сложной формы, ввиду отсутствия деформирующих сил, возникающих при обработке. «Инструментом» метода является пароплазменная оболочка (НПО), образующаяся под воздействием высокой напряженности электрического поля на поверхности обрабатываемой заготовки-анода. При этом имеет место

5

сочетание комплекса химико-физических процессов, обеспечивающий повышение класса чистоты поверхности, который на порядок выше результатов, получаемых классическими гальваническими способами или обработкой мелкодисперсными абразивными материалами.

Следует отметить, что одним из преимуществ данного метода является его относительная экологическая безопасность, в силу того, что при ЭПП, как правило используются водные растворы неорганических солей.

Кроме того, электролитно-плазменное полирование, являясь многофункциональным технологическим процессом, при котором одновременно происходит очистка поверхности и удаление мелких заусенцев, может использоваться в качестве подготовительной обработки поверхностей перед нанесением покрытий, что значительно упрощает технологический процесс заключительных операций изготовления ответственных изделий. Таким образом, ЭПП можно отнести к перспективным, экологически чистым технологиям финишной обработки изделий из токопроводящих материалов.

Цели и задачи. Целью работы является улучшение качества полированных протяженных внутренних поверхностей путем снижения шероховатости, увеличение степени равномерности обработки, точности и микротвердости по всей длине полируемого отверстия.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- Разработать технологический процесс и определить рациональные режимы обработки внутренней поверхности протяженных отверстий деталей, изготовленных из меди М3 и латуни Л96.

- Спроектировать и изготовить экспериментальную установку и специальные приспособления для реализации процесса электролитно-плазменного полирования протяженных отверстий по различным схемам.

- Установить взаимозависимость основных технологических факторов скорости потока и концентрации электролита, габаритов электрода-катода и напряженности электрического поля в зоне обработки, на процесс принудительного электролитно-плазменного полирования отверстий.

- Изучить механизм принудительного электролитно-плазменного полирования и его физико-технологические закономерности на процесс формирования качества внутренних поверхностей протяженных изделий.

- Разработать физическую модель процесса принудительного электролитно-плазменного полирования на основе регрессионного анализа.

- Подготовить рекомендации по разработке технологических процессов и практическому использованию технологии ПЭПП внутренних протяженных поверхностей в производственных условиях.

1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ И СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННИХ ПРОТЯЖЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.

1.1. Анализ различных методов повышения качества обработки внутренних поверхностей.

Финишные методы обработки являются самой значимой и трудоемкой задачей технологии машиностроения, поскольку ими завершают изготовление особо ответственных деталей высокой сложности и точности. Вопрос получения качественного поверхностного слоя актуален как в общем машиностроении, так и в специальном.

Одним из критериев качества поверхностей деталей машин является шероховатость - Ra, минимальные значения которой достигаются путем финишных (доводочных) операций. Шероховатостью поверхности (микрогеометрией) называют совокупность неровностей с относительно малыми шагами на базовой длине, образующих ее рельеф. Шероховатость после механической обработки - это след режущего инструмента (металлического или абразивного), искаженный пластической и упругой деформацией, а также вибрацией системы СПИД - «станок-приспособление-инструмент-деталь» (Рис. 1.1).

Шероховатость после немеханических методов обработки - есть результат неодинакового съема металла с поверхности (электрохимическая, электроэрозионная или другая обработка), а также следов копирования неровностей (микроотклонений) поверхностей штампов, литейных форм при изготовлении деталей или их заготовок и т.п.

Рисунок 1.1. Схема образования неровностей на поверхности

а - образование закономерного (регулярного) поперечного профиля поверхности; б - искажение профиля пластической деформацией при отделении стружки; 1, 2 - закономерный и искаженный профили поверхности; 3 - резец; S - шаг неровностей.

Учитывая большое влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин, шероховатость несущих поверхностей строго регламентируется. Шероховатость принято определять по ее профилю,

(а)

(б)

который представляет собой линию пересечения поверхности плоскостью, перпендикулярной к направлению неровностей на базовой длине [1].

В Российской Федерации за основу принята система измерения, согласно которой отсчет высоты неровностей производится от средней линии профиля. Средняя линия профиля (линия на профилограмме, показанной на рис. 1.2) -это линия, делящая реальный профиль так, что в пределах базовой длины сумма квадратов расстояний точек профиля до этой линии минимальная, т.е.

п

у- = тт

(1)

]-1

Рисунок 1.2. Профилограмма поверхности

Основные характеристики шероховатости регламентируются ГОСТ'ом 25142 - 82 и ГОСТ'ом 2789 - 73 «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики», который для количественной оценки и нормирования шероховатости устанавливает шесть параметров: три высотных ^а, Rz, Rmax), два шаговых ^т, S) и параметр относительной опорной длины профиля ^р).

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra - среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины I, т.е. среднее арифметическое из абсолютных значений расстояний точек измеренного профиля до его средней линии.

1 С1

Яа = т1 1У(Х)1<1Х 1 1о

1 [1п Яа = -\ |у£|

Л-1

п

(2)

(3)

где у - отклонение (ордината) профиля, определяющее расстояние между точкой реального профиля и средней линией профиля; п - число выбранных точек на профиле (число ординат); I - базовая длина;

Высота неровностей профиля Rz есть сумма средних арифметических абсолютных значений пяти наибольших минимумов Штп и пяти наибольших максимумов Штах профиля в пределах базовой длины [2].

1 V"15 V5

= 1^тах|-> |Я™П|) (4)

5 4-1 ¿—4-1

1 5 5

~(/ ^¿шах / (5)

5 ¿—ч-1 £—4-1

Таблица - 1.1.

Показатели качества поверхности

Класс точности Класс чистоты поверхности (отмененный критерий кач-ва) Среднее арифметическое отклонение профиля Яа, мкм Высота неровностей Я2, мкм Базовая длина 1, мм

14 иЛ 80 320

13 40 160 8

12 уЗ 20 80

11 10 40 2,5

10 5 20

9 2,5 10

8 1,25 6,3 0,8

7 0,63 3,2

6 0,32 1,6

5 ^10 0,16 0,8 0,25

4 ел11 0,08 0,4

3 V12 0,04 0,2

2 0,02 0,1 0,08

1 0,01 0,05

Приборы, непосредственно оценивающие шероховатость поверхности, называют профилометрами. Приборы, записывающие шероховатость в виде увеличенного в пределах от 500 до 5000 раз профиля проверяемой поверхности (профилограммы), называют профилографами. Профилометры и профилографы применяют для лабораторного исследования чистоты обработанной поверхности. Контроль чистоты полученной поверхности обеспечивается непосредственным измерением микронеровностей или сравнением с образцами.

В цеховых условиях применяют эталоны для визуальной оценки чистоты поверхности 4, 5, 6 и 7-го классов (рис. 1.3). Эталоны позволяют определить шероховатость поверхности в пределах ошибки на один класс.

Рисунок 1.3. Эталоны для оценки шероховатости поверхностей Среди финишных технологий обработки внутренних поверхностей можно выделить следующие методы, представленные в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Финишные методы обработки отверстий.

\Вид №п/п\х Абразивные Электрофизические Электрохимические

1 Струйно-абразивная обработка Электроискровая обработка Анодное растворение

2 Магнитно-абразивная обработка Электроимпульсная обработка

3 Экструзионно-абразивная обработка

Абразивная обработка - это обработка резанием, осуществляемая множеством абразивных зерен. Абразивная обработка может осуществляться свободными и связанными абразивными зернами. Связанные абразивные зерна образуют абразивный инструмент, который может изготавливаться в виде шлифовальных кругов, брусков, головок, сегментов, лент и шкурок. Свободный абразив может использоваться в виде паст, суспензий, порошков.

В настоящее время абразивные методы обработки очень широко используются в промышленности, они позволяют обеспечить точность

размеров до 1 квалитета и шероховатость поверхности до Яа = 0,04 мкм.

Электрофизические (ЭФО) и электрохимические (ЭХО) методы - данные технологии предназначены в основном для обработки заготовок из очень прочных, весьма вязких и хрупких токопроводящих материалов.

Методы ЭФО и ЭХО имеют следующие преимущества:

A. Отсутствует силовое воздействие инструмента на заготовку (или очень мал и не влияет на суммарную погрешность обработки);

Б. Позволяют изменять геометрию поверхности заготовки, при этом не влияя на механические свойства и структуру поверхностного слоя (наклеп, как при механической обработке, на поверхности не образуется).

B. Позволяют обрабатывать сложные наружные и внутренние поверхности.

Данные методы обработки являются универсальными и обеспечивают непрерывность формообразования всей обрабатываемой поверхности. Эти методы внедрены в ряде передовых направлений машиностроения.

Электрофизическая обработка основана на явлении разрушения (эрозии) поверхности металла, под воздействием электрических разрядов. Обнаружено английским ученым Джозефом Пристли в конце XVIII века. После обнаружения этого явления, работы многих исследователей были нацелены на устранение или снижение степени разрушения поверхности материала, но значимых положительных результатов не было получено до момента появления тугоплавких и эрозионно-стойких сплавов и легированных сталей.

Значительно позже, только в начале XX века, исследователями рассматривалась возможность использования электрической дуги в качестве «инструмента» способного разрушить поверхность самых труднообрабатываемых токопроводящих материалов. Советскими изобретателями Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко в 40-х годах были проведены серии экспериментов, позволивших найти оптимальные условия реализации эрозионного разрушения поверхности обрабатываемого материала. Для усиления разрушающего воздействия электрического заряда, межэлектродный промежуток был заполнен диэлектрической жидкостью, а электрическая цепь имела батарею конденсаторов, которая накапливала заряд достаточной мощности для возникновения электрического разряда при строго выверенном межэлектродном расстоянии с заданным сопротивлением.

Устройство с источником питания и зоной обработки, имеющей простейшую кинематику для подвода электрода инструмента к заготовке, было первой в мире электроэрозионной установкой. Установка работала следующим

образом. К заготовке и электроду-инструменту (ЭИ), помещенными в ванну с диэлектрической жидкостью, подводился электрический потенциал. Электрод-инструмент должен был находиться на расстоянии, при котором сопротивление на пробой межэлектродного промежутка становится недостаточным для сдерживания, накопленного в батарее конденсаторов заряда. При этом возникает электрическая дуга разрушающая поверхность заготовки, а расплавленные капли металла охлаждаясь, кристаллизуются в рабочей жидкости. Схлопывающийся дуговой канал выбрасывает частички металла из зоны обработки. Следующий электрический разряд возникает, когда в батарее конденсаторов накопиться достаточный заряд для пробоя межэлектродного пространства. По истечению определенного времени прошивается отверстие в обрабатываемом материале, точно повторяющее контур инструмента (Рис. 1.4).

Рисунок 1.4. Эрозионный процесс прошивания отверстия 1 -заготовка; 2 - электрод-инструмент; 3 - электролит; 4 - источник питания.

Таким образом, наши соотечественники применили, ранее считавшийся «вредным», эффект электроэрозии для размерной обработки токопроводящих материалов. Появление электроэрозионной обработки (ЭЭО) имело большое значение. К известным на тот момент методам формообразования (резанию, литью, обработке давлением) добавился новый, электрофизический, в котором как инструмент непосредственно использовались электрические разряды. [3,

4].

Впервые технологии, основанные на электрохимических процессах, были изучены Гусевым В.Н. Эти методы обработки классифицируют в первую очередь по электрической схеме подключения электродов: анодная и катодная схемы. По технологическим аспектам на: размерные (со снятием массы материала), была применена в 1928 для обработки станин крупных

металлообрабатывающих станков, в 1929 году была запатентована, и безразмерные (поверхностные), для финишных операций, в 1954 году был получен патент на обработку сверл.

Электрохимическая обработка, относящаяся к анодным, размерным технологиям, а именно анодное растворение впервые реализовано на практике Гусевым Н.В. Технологический процесс заключается в том, что к заготовке, погруженной в электролит, подключают положительный полюс источника питания (ИП), а ванна служит катодом, к ней подсоединен отрицательный полюс. При соблюдении технологических режимов происходит интенсивное растворение наиболее выступающих частей обрабатываемой заготовки, если вместо ванны-катода использовать профилированный ЭИ-катод и постепенно подводить его к поверхности обрабатываемой заготовки (со скоростью подачи равной скорости анодного растворения), получаем отверстие полностью повторяющее профиль электрода-инструмента. Данный метод позволяет получать поверхности с высокими требованиями по шероховатости и точности геометрии. Важное отличие от механического полирования состоит в том, что отсутствуют какие-либо изменения в структуре обрабатываемого материала.

Механизм съема материала при электрохимической обработке (ЭХО) основан на процессе электролиза. Съем металла происходит по закону Фарадея, согласно которому количество снятого металла пропорционально силе тока и времени обработки.

Процесс электролиза ЭХО, при котором происходят окислительные и восстановленные реакции на электродах и в электролите, осуществляется под действием электрического потенциала, приложенного к электрохимической ячейке (рис. 1.5). Электрод, который подлежит растворению подключается к положительному полюсу источника питания и становится анодом, а электрод-инструмент является катодом и подключен к отрицательному полюсу. При такой схеме подключения электродов происходит растворение анода с последующим оседанием его восстановленных атомов на катоде. На рисунке показана схема электрохимической ячейки, на которой в качестве анода и катода выбраны железные электроды, а электролитом служит водный раствор поваренной слои №С1, молекулы которой диссоциированны на анионы С1- и катионы натрия №+. В растворе, кроме того, присутствуют продукты диссоциации воды: Н+ и ОН-.

Рисунок 1.5. Электродные процессы при электролизе водных растворов 1 - электрод-анод; 2 - электролит; 3 - ИП; 4 - электрод-катод.

Если к электрохимической ячейке приложить электрический потенциал, то анионы хлора и гидроксида будут двигаться к аноду, а катионы натрия и водорода к катоду. Железо будет отдавать электроны, переходя в раствор в виде ионов Бе+2, и взаимодействовать с находящимися в электролите ионами С1-, образуя хлористое железо FeQ2, ионы натрия и гидроксида вступая в реакцию образуют слабую щелочь КаОИ. Далее образованные химические соединения БеСЪ и КаОИ вступят между собой в реакцию обмена и образуют гидрат закиси железа Ре(ОИ)2 и хлористый натрий КаС1. Ионы водорода тем временем будут непрерывно перемещаться к катоду, образуя атомарный водород, который в виде пузырьков газа уходят из раствора Н+ + е — И; И + И И2. Теоретически при электролизе кроме электроэнергии расходуется только вода. При электрохимической обработке (ЭХО) в качестве электролитов должны выбираться электролиты, катионы которых не осаждаются при электролизе на поверхности катода. Этим обеспечивается основное достоинство ЭХО - неизменность формы ЭИ. [5, 6].

1.1.1. Абразивные технологии обработки. Разновидности абразивных

методов.

Струйно-абразивная обработка.

Данный вид абразивной обработки производится зернами свободного абразива, выбрасываемыми струей воздуха под давлением (рис. 1.6). При ударе абразивных зерен происходит съем металла и постепенное уменьшение высоты микронеровностей, а также упрочнение поверхностного слоя, что

14

значительно повышает сопротивление усталости деталей. Интенсивность съема обрабатываемого материала зависит от зернистости абразива, давления струи и угла падения абразивной струи на обрабатываемую поверхность ас.

Для операций очистки и снятия заусенцев обычно применяют абразивный материал зернистостью М40...М120, а для полирования поверхностей - зернистостью М5. М20.

Рисунок 1.6. Схема струйно-абразивной обработки

Преимущества.

Данный способ наиболее эффективен при финишной обработке внутренних поверхностей крупных отверстий и фасонных внутренних поверхностей.

Высокая производительность.

Недостатки.

Невозможность применения для финишной обработки малогабаритных отверстий.

Невозможность финишной обработки отверстий с нелинейной осью.

Таблица 1.3.

Выходные параметры струйно-абразивной обработки

Струйно-абразивная обработка Класс точности Класс чистоты поверхности (отмененный критерий качества) Среднее арифметическое отклонение профиля Яа, мкм Производительность П, мм3/мин

6 5 4 3 «Л0 иШ V12 0,32 0,16 0,08 0,04 100 - 1000

Магнитно-абразивная обработка.

Сущность магнитно-абразивной обработки (МАО) заключается в том, что обрабатываемой заготовке или специальному магнитно-абразивному порошку, помещённым в постоянное магнитное поле, сообщают принудительное движение относительно друг друга.

Схема МАО наружных поверхностей представлена на рис. 1.7.

12 3

Рисунок 1.7. Схема магнитно-абразивного полирования наружных поверхностей

Для осуществления процесса МАО обрабатываемая заготовка 3 помещается между полюсными наконечниками 1 электромагнита. При включении тока создается магнитное поле. В зазоры между полюсами и деталью засыпаются зерна специального материала 2 - типа кермета, ферробора и др., полученных методом спекания железа с абразивом. В созданном магнитном поле образуется своеобразная «щетка» в виде ориентированных вдоль магнитных силовых линий наибольшей осью зерен порошка, в результате чего осуществляется обработка. При этом давление в уплотненном слое около 0,5...1,0 МПа.

Скорость заготовки и = 0,8...3,6 м/с, магнитная индукция - 0,8...1,2 Тл. При работе на таких режимах в течение 60.90 с шероховатость поверхности заготовки может уменьшиться до 12 раз, при этом производительность обработки составляет 10.20 мм2/мин. [7].

Преимущества.

Магнитно-образивная обработка применима для заготовок любой геометрической формы. Эластичный слой порошка под действием магнитного поля обладает способностью формироваться у обрабатываемой поверхности, копируя ее профиль. Это дает возможность обрабатывать сложнопрофильные внутренние поверхности.

Недостатки.

Существенный недостаток, ограничивающий применение МАО на производствах является техническая реализация, требующая создания кинематически сложного оборудования. Вдобавок технологическое оборудование для осуществления МАО не обладает гибкостью, следовательно, применение данного способа финишной обработки затруднительно при наличии широкой номенклатуры выпускаемых изделий.

Таблица 1.4.

Выходные параметры магнитно-абразивной обработки

Магнитно-абразивная обработка Класс точности Класс чистоты поверхности (отмененный критерий качества) Среднее арифметическое отклонение профиля Яа, мкм Производительность П, мм3/мин

5 4 3 ^10 V12 0,16 0,08 0,04 10 - 20

2 ^13 0,02

Экструзионно-абразивная обработка.

Физическая сущность данного способа финишной абразивной обработки заключается в продавливании специальной абразивной пасты, имеющей высокую вязкость и упругие свойства, через внутренние обрабатываемые поверхности.

При перемещении абразивной пасты относительно обрабатываемой поверхности абразивные зерна под действием гидростатического давления прижимаются к обрабатываемой поверхности и осуществляют механическое воздействие, сила которого превышает предел упругости вершин микронеровностей, осуществляющее микрорезание поверхностной структуры металла заготовки. Давление при данном способе обработки составляет от 4 -5 МПа при полировании относительно мягких сплавов алюминия, меди и до 10 - 14 МПа — при полировании стали.

Схема экструзионно-абразивной обработки изображена на рис. 1.8.

На пасту 1, находящуюся в верхнем цилиндре 2, давит поршень 3, который передает давление масла, создаваемое гидростанцией 8. Паста перемещается через обрабатываемое отверстие детали 4 в нижней цилиндр 5.

Рисунок 1.8. Схема экструзионно-абразивной обработки

Напряженно-деформированное состояние (направления нормальных и касательных напряжений) рабочей среды определяет нормальную и тангенциальную силы, действующие на абразивное зерно при контакте с обрабатываемой поверхностью. При стесненном течении (рис. 1.9) рабочей среды под сдвигающим давлением первоначально ее поток 1 контактирует с наиболее высокими микронеровностями, расположенными на вершинах волн 2. При этом поток испытывает вязкоупругие деформации, а волна поверхности — упругие. На уровне впадины волны 3 происходит отрыв 5 потока от обрабатываемой поверхности (рис. 1.9, а). Накопленные в потоке упругие деформации получают возможность релаксации, что ведет к увеличению диаметра потока и постепенному заполнению объема впадины (рис. 1.9, б).

Рисунок 1.9. Схема контакта потока рабочей среды с волнистой поверхностью: а — начало движения; б — переходная область; в — установившийся поток

Если впадина имеет значительную глубину, то часть среды, заполнившей впадину волны, теряет свою скорость и образует застойную зону 4 (рис. 1.9, в). Основной поток рабочей среды скользит по границе застойной зоны.

В связи с этим можно сделать вывод, что интенсивность и эффективность обработки методом экструзии абразивной массы напрямую зависит от давления создаваемом в рабочем канале (заготовки). Следовательно, для деталей с переменной площадью сечения отверстия применение данного метода становится не столь эффективно.

Экструэионно-абразивный способ используют для финишной обработки цилиндрических и сложнопрофильных отверстий, окон, пазов в матрицах штампов и пресс-форм, а также в других деталях. Применение данного способа особо эффективно при необходимости снятия заусенцев и округления кромок в пересекающихся отверстиях.

Машинное время обработки составляет от 2 до 20 мин. Обеспечивается выходной параметр шероховатости поверхности Ra = 0,08 — 0,32 мкм при исходном параметре Ra = 0,63 — 1 мкм.

Преимущества.

Основным преимуществом ЭАО перед другими видами абразивно -струйной обработки является возможность обрабатывать сложно профильные детали из любых конструкционных материалов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузьмичев Иван Сергеевич, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жуков Э.Л., Кобчиков В.С., Никифоров В.И. Основы технологии машиностроения: Учеб. пособие. СПБ: изд-во Политехн. 2008. - 155 с.

2. Технология машиностроения. Часть I: Учеб. пособие/ Э.Л. Жуков, И.И. Козарь, Б.Я. Розовский, В.В. Дегтярев, А.М. Соловейчик/ Под ред. С.Л. Мурашкина. - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2005. - 190 с.

3. Применение международная система единиц физических величин в химии. Практ. пособие. Б.Д. Степин / под ред. В.Н. Бораненковой. - М.: Высш. шк., 1990. - 96 с. ISBN 5-06-001567-Х

4. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: учебное пособие для вузов: в 2 т. / Б. А. Артамонов [и др.]. -Москва: Высш. шк., 1983. - 247 с.

5. Краткий справочник физико-химических величин. А.А. Равдель, А.М. Пономарева / 10-е изд. - СПб.: Иван Федоров, 2003. - 240 с.

6. Грилихес С.Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов Библиотечка Гальванотехника. Выпуск 1 Под редакцией П.М. Вячеславова. Ленинград: Машиностроение 5-е издание, 1983 г., 101 с.

7. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки // Г.Л. Амитан, И.А. Байсупов, Ю.М. Барон и др.; Под общ. ред. В.А. Волосатова. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988г., 719 с., ил. ISBN 5-217-00267-0.

8. Задачи и упражнения по общей химии. Учебное пособие для вузов. Н.Л. Глинка / под ред. В.А. Рабиновича и Х.М. Рубиной. - М.: Интеграл-пресс, 2005. - 240 с. ISBN 5-89602-015-5

9. Круглов В.В. Электрофизикохимические и комбинированные методы обработки; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева; - Нижний Новгород, 2013. - 207 с.

10. И.С. Куликов, С.В. Ващенко, А.Я. Каменев. / Электролитно-плазменная обработка материалов / Минск: Белорусская наука. 2010. - 232 страницы-ISBN 978-985-08-1215-5.

11. Электролиз. Пособие для учителей. Н.И. Подобаев / под ред. О.П. Федоровича. - Москва: Просвещение, 1969. - 104 с.

12. Погребняк А.Д. Электролитно-плазменная технология для нанесения покрытий и обработки металлов и сплавов / Физикохимия поверхности и защита материалов, 2014, том 50, № 1, с. 72 - 88.

13. Toward a materials-conservation ethic [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: http://link.springer.com/article/10.1007%2FBF02663398 (дата обращения: 27.04.17).

14. Production of nano structured stainless steel surface through the Electrolytic Plasma Technology / Te-Ching Ysieh and Jhao-Jhong Su // Innovation in design, Communication and Engineering. — 2015.— 17-22. P. 665-669.

15. Кузьмичев И.С., Ушомирская Л.А., Шмельков А.В., Сысоев И.А. Финишная технология обработки сквозных прямоосных, глубоких, цилиндрических отверстий в металлических изделиях принудительным электролитно-плазменным полированием. Научно-производственный журнал «Металлообработка». АО «Издательство "Политехника"». №3 (99)/2017. - 70 стр. УДК. 621.719.048.4. ISSN 1684-6702.

16. Химия. Химические источники электрической энергии. Е.А. Островидов, Н.Ф. Волынцев / Учеб. пособие. - СПб.: СЗПИ, 2000. - 24 с. УДК 541.124.

17. Ушомирская Л.А., Кузьмичев И.С. Финишная технология обработки внутренних поверхностей потоком смеси парогазовых компонентов при повышенном напряжении. Современное машиностроение: Наука и образование: материалы 5-й Международной научно-практической конференции. / Изд-во Политехн. ун-та, 2016. - 1445 с.; УДК. 621.737.79.

18. Ушомирская Л. А., Герасимов А. С. «Технологические возможности применения струйного течения электролита при электролитно-плазменном полировании» // Металлообработка. Научно-производственный журнал — 2015. — 4 (88). — с. 24 - 30.

19. Краткий химический справочник. В.А. Рабинович, З.Я. Хавин / под ред. А.А. Потехина. 3-е издание переработанное и дополненное. - Л.: Химия, 1991. 432 с.

20. Общая химия в формулах, определениях, схемах. Справ. руководство. И.Е. Шиманович, М.Л. Павлович, В.Ф. Тикавый, П.М. Малашко / под ред. В.Ф. Тикавого, С.Б. Гуляевой. - Мн.: изд-во «Университетское», 1987. - 501 с.

21. Погребняк А.Д. Анализ свойств и структура оксидированных покрытий, полученных на Al-Cu и Al-Mg-сплавах / А.Д. Погребняк, // Журнал технической физики [Электронный ресурс]. Электронный журнал. - 2012. -

Режим доступа: http: //j ournals. ioffe. ru/articles/viewPDF/10630 (дата обращения: 27.04.17).

22. Ушомирская Л.А., Новиков В.И. Полирование легированных сталей в не токсичных электролитах при высоком напряжении. Научно-производственный журнал «Металлообработка». АО «Издательство "Политехника"». 1(43)/2008 С. - 48 стр. УДК 621.719.048.4. ISSN 1684-6702.

23. Справочник по элементарной физике. Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич / 8-е изд., перераб. - М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. - 208 с. УДК 53.

24. Ludmila A. Ushomirskaya, Yuri Mikhailovich Baron, Ivan Sergeevich Kuzmichev. Design of Special Device for the Forced Electrolytic-Plasma Polishing of Internal Surfaces by Counter Flows // Key Engineering Materials, ISSN: 16629795, Vol. 822, pp 610-616, doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.822.610

25. Физика диэлектриков (область сильных полей): Учебное пособие/ [Г. И Воробьев др.]; Томск: Изд-во: НИТПУ, 2003. 244 с. - ISBN 5-98298-097-0

26. Mikhail Mikhailovich Radkevich, Ivan Sergeevich Kuzmichev. Technological Principles of Internal Surfaces Finishing by Forced Electrolytic-Plasma Polishing // Key Engineering Materials, ISSN: 1662-9795, Vol. 822, pp 634639, doi:10.4028/www.scientific.net/ KEM.822.634

27. Гайсин Ал.Ф., Сон Э.Е. Паровоздушные разряды между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях // теплофизика высоких температур. 2010. т. 48. вып.3. с. 470-472.

28. Международная система единиц СИ. Г.Д. Бурдун, Н.В. Калашников, Л.Р. Стоцкий / под ред. Г.Е. Перковской. - Москва: изд-во «Высшая школа», 1964. - 276 с.

29. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф, А.К. Лебедев / под ред. А.К. Лебедева. - Москва: 8-е изд., перераб. и испр. — М.: ООО «Издательство Оникс»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2006. — 1056 с: ил. ISBN 5-94666-260-0

30. Технология машиностроения. Часть II: учеб. пособие / Э.Л. Жуков, И.И. Козарь, Б.Я. Розовский, В.В. Дегтярев, А.М. Соловейчик / под ред. С.Л. Мурашкина. - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. - 498 с.

31. А.И. Попов, М.И. Тюхтяев, М.М. Радкевич, В.И. Новиков. Анализ тепловых явлений при струйной фокусированной электролитно-плазменной обработке, Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, 4(254)' 2016 , УДК. 621.78, DOI 10.5862/JEST.254.15

Приложение А. Полнофакторный эксперимент по образцам из меди

№ п/п Показатели качества, расчетные значения дисперсий параллельных опытов, дисперсий, коэффициентов регрессий (М3)

Яа, мкм Яаср, мкм 32Яа К Кср Б2к А, мм Аср, мм Б2а Ну, Н/мм2 НУср, Н/мм2 32ш

1 а 0,092 0,094 0,000005 0,278 0,283 0,00005 0,04 0,038 0,000013 621 654 2 178

б 0,095 0,288 0,035 687

2 а 0,099 0,101 0,000005 0,299 0,305 0,000072 0,045 0,042 0,000013 618 651 2 178

б 0,102 0,311 0,04 684

3 а 0,182 0,189 0,000098 0,532 0,554 0,000844 0,11 0,103 0,000113 639 670,5 1 984,5

б 0,196 0,576 0,095 702

4 а 0,148 0,152 0,000032 0,459 0,472 0,000313 0,145 0,137 0,000113 635 667 2 048

б 0,156 0,484 0,13 699

5 а 0,102 0,104 0,000008 0,319 0,325 0,000072 0,06 0,055 0,00005 616 649 2 178

б 0,106 0,331 0,05 682

6 а 0,113 0,116 0,000018 0,384 0,393 0,000162 0,095 0,088 0,000113 613 642 1 682

б 0,119 0,402 0,08 671

7 а 0,163 0,169 0,000061 0,502 0,52 0,000648 0,16 0,153 0,000113 607 637 1 800

б 0,174 0,538 0,145 667

8 а 0,131 0,134 0,000018 0,409 0,418 0,000162 0,18 0,17 0,0002 621 655 2 312

б 0,137 0,427 0,16 689

9 а 0,071 0,073 0,217 0,221 0,065 0,06 610 634

б 0,074 0,225 0,055 676

10 а 0,051 0,052 0,159 0,162 0,035 0,033 619 650

б 0,053 0,165 0,03 681

Продолжение приложения А.

Значение коэффициентов регрессии при локальном ПЭ1Ш меди М3

Во В1 В2 В3 В12 В1,3 В2,3 В1,2,3

Яа 0,1324 -0,0066 0,0286 -0,00163 -0,0114 0,000875 -0,00788 -0,00038

К 0,40875 -0,0118 0,0823 0,00525 -0,0343 0,00325 -0,02725 -0,00825

А 0,09825 0,011 0,0425 0,01825 0,00175 0,0015 0,0025 -0,00575

Ну 653,2 0,34 -2,38 -4,21 3,96 -5,41 -6,41 -0,71

Приложение Б. Дисперсионный анализ данных полнофакторного эксперимента

Данные дисперсионного анализа при локальном ПЭПП меди М3

£ С S2{Ьi} Б{Ы} 10 11 12 13 11,2 11,3 12,3 11,2,3

Яа 0,000245 0,4 0,000031 0,00000194 0,00141 92,9 4,68 20,28 1,1 < 1кр 8,07 0,6 < 1кр 5,86 0,3 < 1кр

К 0,002323 0,363 0,00029 0,0000194 0,0043 95,06 2,73 19,13 1,2 < 1кр 7,96 0,8 < 1кр 6,34 1,9 < 1кр

А 0,000728 0,275 0,000091 0,00000569 0,00238 41,28 4,62 17,86 7,67 0,7 < 1кр 0,6 < 1кр 1 < 1кр 2,42

Ну 16360,5 0,141 2045 127,8 11,3 57,8 0,1 < 1кр 0,2 < 1кр 0,4 < 1кр 0,4 < 1кр 0,5 < 1кр 0,6<1кр 0,1 < 1кр

Приложение В. Проверка регрессионных уравнений на адекватность

Проверка адекватности регрессионных моделей локального ПЭ1Ш меди М3

(Яа);^ = 0,1258 = — ((0,1258 - 0,14433 )2 + (0,12578 - 0,13849)2) = 0,000505 8-6 ^ 0,0005055 ^^ гоа =-= 16,31 < Бкр19,4 0,000031 ' кр '

(К)у^,п = 0,3879 = ^ ((0,3879 - 0,44319)2 + (0,3879 - 0,42639)2) = 0,004538 ^ 0,004538 ,, =-= 15,65 < Бкр19,4 л 0,00029 кр '

(А)уу,п = 0,094 = ^ ((0,094 - 0,11888)2 + (0,094 - 0,108476)2) = 0,0008285 Рд = 0'0008285 = 9,1 < Бкр19,4 д 0,000091 кр '

Приложение Г. Полнофакторный эксперимент по образцам из латуни

№ п/п Показатели качества, расчетные значения дисперсий параллельных опытов, дисперсий, коэффициентов регрессий (Л96)

Яа, мкм Яаср, мкм $2Яа К Кср 32к А, мм Аср, мм 32а Ну, Н/мм2 НУср, Н/мм2 32ш

1 а 0,097 0,099 0,000008 0,301 0,309 0,000128 0,035 0,033 0,000013 671 718 4 418

б 0,101 0,317 0,03 765

2 а 0,105 0,107 0,000005 0,324 0,332 0,000113 0,04 0,038 0,000013 677 723 4 232

б 0,108 0,339 0,035 769

3 а 0,197 0,205 0,000128 0,611 0,593 0,000685 0,10 0,095 0,00005 679 725 4 232

б 0,213 0,574 0,09 771

4 а 0,157 0,163 0,000072 0,480 0,502 0,000968 0,145 0,138 0,000113 672 716 3 872

б 0,169 0,524 0,13 760

5 а 0,111 0,115 0,000032 0,347 0,359 0,000288 0,055 0,053 0,000013 667 713 4 232

б 0,119 0,371 0,05 759

6 а 0,123 0,129 0,000072 0,386 0,404 0,000648 0,085 0,08 0,00005 656 700 3 872

б 0,135 0,422 0,075 744

7 а 0,178 0,184 0,000072 0,547 0,566 0,000722 0,15 0,143 0,000113 651 694,5 3 784,5

б 0,190 0,585 0,135 738

8 а 0,142 0,146 0,000032 0,444 0,455 0,000242 0,17 0,16 0,0002 664 711 4 418

б 0,149 0,466 0,15 758

9 а 0,076 0,081 0,236 0,244 0,05 0,048 662 709

б 0,085 0,252 0,045 755

10 а 0,059 0,061 0,181 0,187 0,03 0,028 668 714,5

б 0,063 0,193 0,025 761

Продолжение приложения Г.

Значение коэффициентов регрессии при локальном ПЭ1Ш латуни Л96

Во В1 В2 Вз В12 В1,3 В2,3 В1,2,3

Яа 0,1435 -0,00725 0,031 0 -0,0128 0,00125 -0,0095 -0,00025

К 0,44 -0,01675 0,089 0,006 -0,0338 0,00025 -0,0245 -0,00525

А 0,0925 0,0115 0,0415 0,0165 0,0035 -0,0005 0,001 -0,006

Ну 667,7 0,31 4,31 -7,19 3,19 2,19 -3,81 3,31

Приложение Д. Дисперсионный анализ данных полнофакторного эксперимента

Данные дисперсионного анализа при локальном ПЭ1Ш латуни Л96

£ £ S2v Б{Ы} 10 11 12 13 11,2 11,3 12,3 11,2,3

Яа 0,000421 0,304 0,0000526 0,00000329 0,0018 79,72 4,03 17,2 0 < 1кр 7,08 0,7 < 1кр 5,28 0,2 < 1кр

К 0,003794 0,255 0,000474 0,0000296 0,0054 81,48 3,1 16,48 1,1 < 1кр 6,25 0,1 < 1кр 4,53 1 < 1кр

А 0,000565 0,354 0,000071 0,00000444 0,0021 44,04 5,48 19,76 7,85 1,7 < 1кр 0,2 < 1кр 1 < 1кр 2,86

Ну 34349 0,129 4294 268,4 16,4 40,76 0,02< 1кр 0,3 < 1кр 0,4 < 1кр 0,2 < 1кр 0,1 < 1кр 0,2<1кр 0,2 < 1кр

Приложение Е. Проверка регрессионных уравнений на адекватность

Проверка адекватности регрессионных моделей локального ПЭШ1 латуни Л96

(Ба)^,п = 0,1365 52йай = ^ ((0,1365 - 0,1561)2 + (0,1365 - 0,1501)2) = 0,000569 ^ 0,000569 л гоа =-= 10,82 < Б™ 19,4 ка 0,0000526 кр '

(К)у^,п = 0,4182 = ^ ((0,4182 - 0,477)2 + (0,4182 - 0,459)2) = 0,00512 = 000512 = 10,8 < Гкр19,4 к 0,000474 кр '

(А)Уу,п = 0,0875 52ай = -2-в ((0,0875 - 0,1189)2 + (0,0875 - 0,10847)2) = 0,0008713 ^д = 0,0008713 = 12,27 < Бкр19,4 д 0,000071 кр '