РАЗДЕЛ III

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

УДК 621.923.4

ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРОАЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ

В.Г. Берг

ФГБОУ ВО «СибАДИ», Россия, г. Омск

Аннотация. В статье рассмотрен метод обработки высокопрочных, труднообрабатываемых материалов. Проанализированы характерные особенности процесса электроалмазного шлифования поверхностей вращения. Описаны разновидности электроалмазного шлифования. Далее приведены зависимости токов от величины подачи при шлифовании. Выявлена и обоснована необходимость использования данного метода обработки при изготовлении высоко нагруженных деталей машин. На основе проведенного исследования автором выявлены достоинства метода электроалмазного шлифования.

Ключевые слова: электроалмазное шлифование, поверхности деталей, требования, поверхностный слой, технологический процесс.

Введение

Одной из основных операций в технологии производства деталей машин являются операции чистовой (финишной) обработки. Существуют несколько методов чистовой обработки деталей машин такие как: шлифование абразивными инструментами, притирка, хонингование, суперфиниширование, полирование. Все эти методы нашли широкое применение в производстве деталей в разных областях машиностроения.

Недостаточная производительность и дефекты при обработке могут быть устранены комбинированным воздействием на обрабатываемый материал. Такой способ шлифования высокопрочного сплава, получивший название электроалмазного, следует рассматривать как разновидность размерного электрохимического метода обработки, при котором обязательным является сочетание двух процессов: электрохимического, обусловливающего съем материала с обрабатываемой поверхности, и механического, способствующего удалению продуктов электрохимического процесса из зоны обработки [1].

Процесс электроалмазного шлифования

Общая схема процесса электроалмазного шлифования отличается от схемы обычного шлифования наличием в ТС источника технологического тока. Такая схема приведена на рисунке 1.

электролит

Рис. 1. Схема процесса электроалмазного шлифования: 1 – обрабатываемое изделие; 2 – алмазный токопроводящий круг; 3 – источник технологического тока

Техника и технологии строительства, № 3(7), 2016 ttp://ttc.sibadi.org/

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

В соответствии со схемой удаление заданной глубины срезаемого слоя t с обрабатываемого изделия проводится с помощью токопроводящего алмазного круга. При этом в зону обработки подают электролит и технологический ток.

По схеме подключения технологического тока различают процессы с прямой полярностью тока (деталь-анод, инструмент-катод, как показано на рисунке 1 и с обратной полярностью тока (деталь-катод, инструмент-анод).

Алмазный круг состоит из искусственных зерен и токопроводной связки, обеспечивающей необходимое крепление зерен в инструменте и подвод тока в зону резания.

Роль электролита заключается в активации электрохимического, электроэрозионного и механического процессов в зоне взаимодействия инструмента и обрабатываемого материала.

Выходные параметры процесса электроалмазного шлифования во многом определяются физическими, химическими и другими явлениями в зоне обработки. В частности, эти выходные параметры определяются механизмом разрушения материала снимаемого припуска и формирования состояния обработанной поверхности изделия.

По механизму воздействия на обрабатываемый материал процесс электроалмазного шлифования делят на два вида: алмазно-электрохимическое шлифование (АЭХШ) и алмазноэлектроэрозионное шлифование (АЭЭШ). Представление об этих двух видах механизма можно получить с помощью рисунка 2.

На схемах приведены наиболее характерные элементы взаимодействия инструмента и обрабатываемого материала для двух рассматриваемых процессов: с преобладанием процессов электрохимического съема (рисунок 2 А) и с преобладанием процессов электроэрозионного съема материала (рисунок 2 Б).

Рис. 2. Схема взаимодействия алмазного зерна и обрабатываемого материала в процессе электроалмазного шлифования: 1 – токопроводная связка алмазного слоя; 2 – алмазное зерно;

3 – электролит; 4 – обрабатываемое изделие. А – с преобладанием процессов электрохимического и механического съема: 5 – газообразные продукты ЭХ процесса; 6 – твердые продукты, частицы и слои, разрушенные ЭХ процессом; 7 – частицы и слои, разрушенные процессом и резанием; 8 – слой, активированный резанием; 9 – слой изделия, измененный ЭХ шлифованием. Б – с преобладанием процессов электроэрозионного и механического съема: 5 – газообразные продукты ЭЭ процесса;

6 – частицы и слои, разрушенные ЭЭ процессом; 7 – частицы и слои, разрушенные процессом резания; 8 – слой изделия, измененный ЭЭ шлифованием

В обоих разновидностях приведенного процесса электроалмазного шлифования предусматривается доля материалов, удаляемых резанием алмазным зерном с характерным для этого процесса явлением пластической деформации и разрушения материала срезаемого слоя, переходящего в стружку. При этом характерны трение на контактных поверхностях инструмента и срезаемого слоя, формирование сил резания, составляющие которых Рr

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

(радиальная) и Рок (окружная) приведены на схеме, формирование температуры в зоне резания и тепловых потоков из этой зоны в деталь, инструмент и окружающую среду.

Принципиальное отличие процесса резания алмазным зерном в рассматриваемых процессах от такого процесса при объемном шлифовании состоит в следующем [2]:

-деформирование, разрушение и переход материала срезаемого слоя в стружку происходят с предварительным частичным разрушением этого слоя анодным растворением (рисунок 2 А) или электроэрозионным воздействием (рисунок 2 Б);

-формирование состояния материала поверхностного слоя также отличается в обоих указанных случаях под действием указанных факторов от состояния при обычном резании.

При электрическом растворении материала обрабатываемого изделия параметрами, определяющими интенсивность этого процесса, являются плотность тока и время растворения.

Изменение толщины срезаемой стружки Δbэх за счет электрохимического растворения пропорционально скорости электрохимического растворения Sэх и времени обработки tэх [3]:

где U – напряжение на электродах; ∑φ – сумма электродных потенциалов; η – коэффициент выхода по току, учитывающий степень использования тока для процесса растворения металла; Кэ – удельная электропроводность среды; h – среднестатистическая величина высоты зерен, выступающих над связкой. Часть снимаемого слоя материала удаляется электрохимическим (анодным) растворением в соответствии с зависимостью (1). На рисунке 2 А этот слой обозначен цифрой 6.

Однако удаление основной части снимаемого слоя в процессе АЭХШ связано с другим механизмом, связанным с образованием и последующим разрушением анодной пленки на обрабатываемом материале. Процесс анодного растворения связан с образованием на обрабатываемой поверхности анодной пленки, представляющей собой слой окислов материалов обрабатываемых сплавов и другие соединения. Этот слой толщиной Δbэхм (на рис. 2 А под цифрой 7) является пористым, имеет низкую твердость и является средой, активирующей разрушение алмазным зерном нижерасположенных слоев обрабатываемого материала. Одновременно наличие прослойки этой среды между зерном и обрабатываемым материалом снижает интенсивность изнашивания зерен и связки инструмента.

Формирование поверхностного слоя обрабатываемого изделия в условиях действия указанной анодной пленки происходит с меньшей пластической деформацией материала и более низким уровнем температур, чем при обычном шлифовании алмазным инструментом.

Рассмотренные выше механизмы съема материала и формирование поверхностного слоя изделия с преобладанием процессов электрохимического съема имеют место при умеренных электрических и механических режимах обработки. Повышение технологического режима приводит к преобладанию электроэрозионных (контактно-дуговых) процессов в зоне контакта инструмента и обрабатываемого материала. Графики зависимостей общего, электроэрозионного, электрохимического токов от величины подачи приведены на рисунок 3.

Рис. 3. Графики зависимостей общего Jo, электроэрозионного Jэр и электрохимического Jэх токов от величины подачи на врезание S при электроалмазном шлифовании

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

Повышение общего технологического тока в процессе обработки сопровождается возрастанием электроэрозионного тока при малых и неизменяющихся значениях электрохимического тока.

Снижение относительной доли электрохимического тока к величине общего технологического тока (Jэх/Jо) объясняется присутствием в зоне контакта инструмента и срезаемого слоя не жидкого электролита, а трехфазной паро- и газожидкостной смеси. Образованию такой смеси способствует смешивание воздуха с электролитом в условиях высокой частоты вращения инструмента. Дополнительное образование паров электролита в указанной воздушно-жидкостной среде связано с закипанием электролита в условиях электроэрозионных разрядов. Электропроводность образующейся паро- и газожидкостной смеси многократно (до 5-7 раз) ниже, чем у электролита в обычном состоянии. Возрастающий эрозионный ток вызывает разрушение срезаемого слоя. Такой полностью удаленный слой толщиной Δbэр приведен на рисунке 2 Б под цифрой 6. Нижерасположенный слой 7 толщиной Δbээм частично разрушен, что снижает удельную работу резания при его снятии зерном.

Отдельные результаты сравнения характеристик процессов алмазного шлифования приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Выходные параметры алмазного шлифования

По данным таблицы 1 видно, что параметрам наибольшей технической и экономической эффективности соответствуют процессы электроалмазного шлифования, когда обрабатываемые материалы имеют низкую обрабатываемость.

При этом из двух рассмотренных процессов более высокие параметры соответствуют процессу алмазно-электроэрозионного шлифования.

По известным данным [4], процесс АЭЭШ имеет потенциальные преимущества перед процессом АЭХШ по следующим показателям:

-повышение режущей способности инструмента и производительности обработки в 1,5-3 раза;

-использование в качестве рабочих сред обычных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) для обработки резанием;

-снижение интенсивности изнашивания инструмента на 20-40 % и увеличение его стойкости

в8-20 раз;

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

-снижение в 1,5-2 раза средней температуры в рабочей зоне, вследствие чего многократно снижается вероятность неблагоприятных изменений материала поверхностного слоя обрабатываемых изделий.

Указанные преимущества процесса характерны, прежде всего, при решении сложных технологических задач обработки материалов с низкой обрабатываемостью, сложных поверхностей, задач повышения надежности систем автоматизированной обработки и в других подобных условиях.

Благоприятные действия электроэрозионный процесс в зоне обработки оказывает на шлифовальный круг в виде эффекта самозатачивания инструмента. Электроэрозионные разряды частично разрушают металлическую связку инструмента и продукты засаливания круга, повышая режущие способности алмазных зерен.

При оценке технологических возможностей, технической и экономической эффективности применения двух методов электроалмазного шлифования следует учитывать их следующие особенности [5]:

-процесс АЭХШ по сравнению с процессом АЭЭШ имеет многократно более длительный по времени и более полный по объему опыт работ по циклу исследования – разработка технологий и оборудования – промышленное применение;

-с учетом изложенного, не следует считать решенными в полном объеме задачи определения рациональных условий применения процесса АЭЭШ, создания необходимого технологического оборудования и инструмента, разработки нормативно-технологической базы и др.

Процесс электроалмазного шлифования, предусматривающий сочетание процесса алмазного шлифования с электрическим воздействием на обрабатываемый материал, устраняет многие указанные недостатки, такой комбинированный процесс имеет многие преимущества в условиях основного и инструментального производств в машиностроении. Эти преимущества заключаются в следующем:

-повышение производительности процесса в 1,5-5 раз и более;

-уменьшение удельного износа алмазного инструмента в 1,5-3 раза и более и соответствующее уменьшение размерного износа;

-как следствие предыдущего – повышение стабильности выходных характеристик качества процесса обработки (точности, шероховатости, состояния поверхностного слоя) в пределах обработки партии деталей, что повышает надежность автоматизированных систем, основой которых являются рассматриваемые процессы;

-снижение затрат на правку кругов или полное исключение этой правки;

-повышение стойкости твердосплавного режущего инструмента за счет снижения остаточных напряжений, микротрещин и других дефектов в материале поверхностного слоя режущей части;

-с учетом снижения сил резания обеспечена возможность обработки тонкостенных элементов деталей без снижения производительности с обеспечением заданных требований качества.

Вместе с тем, рассматриваемый процесс имеет и недостатки, что ограничивает его применение. К числу этих недостатков относится усложнение конструкции станка и его оборудования. Кроме того, при освоении процесса электроалмазного шлифования в производственных условиях решение задач оптимизации этого процесса применительно к конкретным условиям требует варьирования большего количества факторов (включая электрические параметры).

Заключение

Знание технологических возможностей, особенностей, выходных характеристик и условий применения, рассмотренных двух разновидностей процесса электроалмазного шлифования, обеспечивает их широкое применение в процессах производства и ремонта машин в разных отраслях.

Библиографический список

1.Справочник технолога-машиностроителя / Под ред. А.М. Дальского, – М.: Машиностроение, 2003.

–Т. 2 – 944 с.

2.Вивденко, Ю.Н. Технологические системы производства наукоемкой техники / Ю.Н. Вивденко. – Омск: изд-во ОмГТУ, 2004. – 544 с.

3.Вивденко, Ю.Н. Технология ремонта машин / Ю.Н. Вивденко, Г.А. Нестеренко, С.А. Резин. – Омск: изд-во ОмГТУ, 2005. – 200 с.