Литература

1. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки /Под общ. Ред. Волосатова В.А./ - Л.: машиностроение 1988 – 719с.

2. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Т.1 /Под ред. В.П. Смоленцева/ - М.: Высш. Шк., 1983. – 247с.

3. А.С. 513823 СССР, МКИ³ В23 Р1/04. Устройства для подачи электролита /В.П. Смоленцев, И.М. Краснов, В.М. Борисов, В.М. Шишкин/ (СССР).

4. Патент № 1797533 А3, МКИ В 2347/36. Способ электрообработки вращающимся электродом-инструментом. /В.П. Смоленцев, О.Н. Кириллов, С.В. Кретинин, Б.А. Голоденко/ (СССР).

Воронежский государственный

технический университет

УДК 621.9.047

О.Н. Кириллов, В.П. Смоленцев, А.В. Писарев

ОБРАБОТКА ОБРАЗЦОВ ИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

ЭЛЕКТРОДОМ-ЩЕТКОЙ

В ВГТУ разработана и изготовлена малогабаритная установка для комбинированной обработки электродом-щеткой /1/. При обработке в качестве заготовок использовались каленые образцы из углеродистой стали У8 с шероховатостью поверхности 2,5мкм. Исследовалось влияние величины прижима электрода-щетки /2/ к обрабатываемой заготовке и изменения силы тока и напряжения на шероховатость получаемой поверхности. Полученные результаты приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Значения шероховатости обработанной поверхности заготовок из стали У8 при разной величине прижима электрода-щетки

Номер эксперимен.	Величина прижима, мм.	Шероховатость Ra, мкм
1 2 3 4 5	0.1	0,28 0,31 0,21 0,18 0,21
1 2 3 4 5	0.75	0,28 0,31 0,25 0,27 0,4
1 2 3 4 5	0.5	0,26 0,29 0,41 0,3 0,36
1 2 3 4 5	0,25	0,8 1,25 1,3 0,9 1,15

Напряжение и ток подавались от стабилизированного источника питания с ручной настройкой и автоматической стабилизацией. Подача заготовки S = 62 мм/мин. Обработка осуществлялась на воздухе с вбрызгиванием рабочей среды (7% водный раствор сернистого сульфафрезола) в зону обработки при прямой полярности, при этом на заготовку подавался « + », а на инструмент-щетку « - ». При проведении экспериментов использовались различные СОЖ. Применение 20% раствора поваренной соли увеличило производительность работы установки на 3 – 7%, но вызвало коррозию металлических частей рабочей зоны. При использовании 7% водного раствора сернистого сульфафрезола удалось получить высокую чистоту поверхности.

Таблица 2

Значения шероховатости обработанной поверхности заготовок из стали У8 при различной величине тока и напряжения

N эксперимента	Шероховатость Ra, мкм.	Величина тока, А	Напряжение, В
1 2 3 4 5	0,28 0,31 0,21 0,18 0,21	1	1.5
1 2 3 4 5	0,28 0,31 0,25 0,27 0,4	2,5	4
1 2 3 4 5	0,26 0,29 0,41 0,3 0,36	4	7.5
1 2 3 4 5	0,8 1,25 1,3 0,9 1,15	5	10

Так обработанная поверхность на отдельных участках имела шероховатость Ra = 0,01мкм. За время проведения экспериментов инструмент-щетка износилась приблизительно на 30 – 45%. Износ щетки определялся визуально. Следует отметить, что при величине прижима в пределах от 0,02 до 0,1 мм износ инструмента-щетки снижается, при величине прижима от 0,15 до 0,3 мм и выше инструмент изнашивается интенсивнее, вследствие увеличения механического взаимодействия с поверхностью обрабатываемой заготовки. При этом при значениях прижима 0,3 мм и выше наблюдалось образование медной пленки на поверхности заготовки.

Из анализа полученных экспериментальных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Использование разработанной малогабаритной установки дает возможность получать высокую, до 0,01 мкм шероховатость поверхности, что позволяет производить чистовые и доводочные операции;

2. При увеличении прижима электрода-щетки к заготовке, увеличении тока и напряжения шероховатость обработанной поверхности, в целом увеличивается, при этом возможны определенные сочетания режимных параметров, при которых за счет оптимального сочетания составляющих процесса комбинированной обработки можно получать заготовки с высоким классом шероховатости.

3. Варьируя режимами обработки (прижимом, полярностью) можно наносить на обрабатываемую поверхность защитные и декоративные покрытия;

4. Использование малогабаритной установки позволит частично решить проблемы механизации доводочных и зачистных операций в условиях металлообрабатывающих производств.

Литература

1. Кириллов О.Н., Писарев А.В., Склокин В.Ю. Установка и инструмент для комбинированной обработки // Нетрадиционные технологии в машиностроении и приборостроении: Межвуз. Сб.науч. тр.вып.3. Воронеж, ВГТУ,1999. С. 120 – 126.

2. Кириллов О.Н., Писарев А.В. Электрод-щетка для малогабаритной установки // Новационные технологии и управление в технических и социальных системах: Тез.докл. межвуз.научн.прак.конф. вып.1. Воронеж, ВГТУ,1999.с.58.

Воронежский государственный

технический университет

УДК 621.9.047

Н.В. Сухоруков, В.П. Смоленцев

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК В НЕЙТРАЛЬНЫХ СРЕДАХ

Электроконтактная обработка нашла применение для обдирки слитков и литья (процесс протекает в воздушной среде), для разрезки тонкостенных заготовок (в среде технической воды), при разделении металлических материалов (в качестве рабочей cреды используется жидкое стекло, иногда - воздух), в комбинированных процессах: обработка проволочным электродом-щеткой, электроалмазная резка, очистка материалов от окалины и др. (процесс может протекать в станочных эмульсиях, растворах солей, на воздухе).

Для разделения заготовок в основном используют водные растворы жидкого стекла. Применение других сред носит исключительный характер из-за больших потерь металла на обдирку заготовок ввиду большого дефектного слоя и в силу снижения производительности после углубления инструмента в деталь (например, при использовании воды при резке труб). Опыт применения жидкого стекла показал, что такая рабочая cреда, наряду с положительными свойствами, имеет существенные недостатки, главными из которых являются: вредное влияние на окружающую среду и обслуживающий оборудование персонал, дефицитность, достаточно высокая стоимость этого материала, непрестижность работы с такой рабочей средой из-за быстрой потери товарного вида оборудованием и появления на одежде несмываемых пятен в местах контакта с жидким стеклом.

В течение многих лет делаются попытки заменить при электроконтактной обработке жидкое стекло на нейтральные cреды: углеводородное сырье, глицерин и др. Но тогда операция разделения заготовок становилась неконкурентноспособной по сравнению с механообработкой из-за низкой производительности процесса, ухудшения качества поверхности и высокой стоимости рабочей cреды.

В работах Л.А. Ушомирской /1, 2, 3/ приведены сведения об использовании для разделения одной из марок нержавеющих сталей 5% суспензии каолина. Другой информации по этому вопросу в литературе не обнаружено.

Наши опыты прошлых десятилетий показали, что формальная замена жидкого стекла на суспензии невозможна из-за необходимости использования новых режимов протекания процесса и изменения конструкции узлов подготовки рабочих сред. Для практического использования вновь предлагаемых жидкостей требуется экспериментальная и теоретическая отработка процесса, его оптимизация с достижением технологических результатов, близких к тем же показателям разрезки заготовок в жидком стекле.

Главным достоинством жидкого стекла является нелинейное изменение вязкости в узких зазорах, когда по мере увеличения усилий сжатия двух твердых тел (инструмента и заготовки) противодействие рабочей cреды резко возрастает и даже при больших (например, ударных) нагрузках не возникает длительного металлического контакта и образования устойчивой дуги. Локализации разряда способствует взаимное перемещение электродов. Этот механизм можно моделировать. следующим образом: за счет усилий сжатия электродов (обычно определяется величиной постоянной подачи инструмента) при вращении диска возникают участки металлического контакта, через которые проходит ток и происходит разогревание жидкого стекла, которое диссоциирует с образованием окислов силиция /6/. Эти окислы представляют из себя твердые частицы, взвешенные в вязком жидком стекле, образуя пограничный слой. Такой слой становится тем прочнее, чем тоньше прослойка из твердых включений, которые противодействуют давлению инструмента.

Используя теорию подобия, авторы обосновали возможность подбора рабочих сред с твердыми гранулами из нейтральных материалов. На основании этого смоделирован процесс разделения заготовок в суспензиях. Для проектирования рабочей среды следует учесть следующие условия подобия с жидким стеклом:

• обеспечение вязкости близкой к вязкости жидкого стекла принятой концентрации;

• сохранение стабильных диэлектрических характеристик при любых зазорах и температурах;

• сохранение структурного состава и концентрации компонентов в течение всего периода работы.

Следует также учесть дополнительные требования к новым средам:

• отсутствие токсичности, экологическую безопасность;

• устранение возможности налипания на оборудование, детали, одежду;

• недифицитность, возможность изготовления из доступных недорогих компонентов на имеющемся или модернизированном оборудовании;

• обеспечение технологических результатов, удовлетворяющих заказчика.

Моделирование процесса сводится к обоснованию формы, размеров и концентрации твердых гранул, заменяющих образующиеся в жидком стекле твердые силикаты, а также придания среде вязкости, обеспечивающей хорошую смачиваемость и удержание гранул при воздействии инструмента, во время разрядов.

Размеры гранул должны обеспечивать сохранение диэлектрических свойств в межэлектродном зазоре. Известно, что в воде пробой возможен при напряженности поля Е_пр=(3-5)10⁴ В/см. Тогда размер гранул  может составить: ,

где U - напряжение на электродах; Е - напряженность поля.

Принимая Е= Е_пр можно найти размер _р , при котором устраняется самопроизвольный разряд в зазоре:

Для предельных напряжений (около 36 В) пробой возможен, если диаметр гранул по (1) будет менее 90 мкм.

Однако практически в суспензию добавляют глицерин, который хотя и не растворим в воде, но образует на поверхности гранул диэлектрическую пленку толщиной в несколько микрон. Под давлением инструмента пленка “выжимается” в пространство между гранулами и образует сплошную диэлектрическую пленку, для которой напряженность поля при пробое составляет Е_пр =(7-8) 10⁵ В/см. Тогда _р становится около 4,5 мкм, что соответствует помолу стандартных порошков из суспензии каолина.

Предполагая, что в начальный момент количество суспензии должно быть достаточным, чтобы покрыть поверхность заготовки в один слой, а количество жидкости - не менее ее объема в межэлектродном пространстве, то можно оценить нижний уровень концентрации гранул в среде (С_г) :

,

где D_г - диаметр гранул (если гранулы имеют форму шара, то D_г=_р );

_n - толщина пленки, образующейся на поверхности гранулы;

H_а - глубина лунки на аноде;

K₁ - коэффициент, учитывает соотношение глубины лунок

на аноде и катоде.

При предельном значении D_г = 4,5 мкм, толщине пленки _n =2мкм, H_а=200 - 300 мкм минимальная концентрация гранул в воде должна быть не менее 10 % по объему. С учетом потерь жидкости по тракту этот показатель возрастает в 1,5 - 2,0 раза и составляет 15-20 % .

Потребность в вязкой жидкости (глицерине и др.) оценивается через концентрацию C_n аналогично гранулам и находится по формуле

Для условий, приведенных выше, С_n=1,3 - 1,5 % , а с учетом потерь 2,5 - 3 %.

В качестве добавки обычно применяют глицерин, но этот состав весьма дорог, поэтому нередко его частично заменяют жидким стеклом (обычно в соотношении 1:1), которое, кроме создания пленки на поверхности, повышает вязкость жидкой среды.

Разработанные модели, позволившие оптимизировать подачу диска в зависимости от площади разрезаемой заготовки и условий протекания процесса

,

где К₃, K₄ - коэффициенты, учитывают условия обработки и боковые

колебания диска (биения, мелкие погрешности, изгиб

под действием разрядов и др.)

J_пред - предельный ток, который можно подвести к диску.

,

где K, K₁, K₂ - коэффициенты ( K - коэффициент теплопередачи,

К₁, К₂ - соотношение размеров лунок на электродах);

D_вт - наружный диаметр втулки, закрепляющей диск;

V_окр - предельная скорость, устанавливаемая на периферии

инструмента-диска;

t₂ - предельная температура нагрева диска;

t₁ - температура окружающей среды;

 - удельное сопротивление материала диска;

D_д - диаметр диска.

При допустимом нагреве диска ( t₂=120 ^о С ) и диаметре втулки 250 мм предельный ток не может превышать 500 А, что обеспечивает подачу при диаметре заготовки 300 мм 0,8 мм/с (при разрезке диаметрального сечения).

Из рассмотренного видно, что при разрезке регулирование подачи вручную по величине тока и усилию позволяет оптимизировать процесс, поэтому необходимо оснащать оборудование регуляторами подачи, работающими как по жесткой программе, так и с адаптацией режимов.

Литература

1. Ушомирская Л.А. Повышение эффективности применения электрофизических и электрохимических методов обработки материалов //Материалы краткосрочного семинара - Л: ЛДНТП, 1990 - 89 с.

2. Попов В.Ф., Ушомирская Л.А. Опыт применения экологически чистых электрофизических методов обработки //Материалы краткосрочного семинара - Л: ЛДНТП, 1991 - 136 с.

3. Справочник по элетрофизическим и электрохимическим методам обработки //Л.А.Ушомирская и др.(всего 14 авторов) /Под ред.В.А.Волосатова - Л:Машиностроение, 1988 -719 с.

4. Пахалин Ю.А. Алмазное контактно-эрозионное шлифование - Л:Машиностроение, 1985 -188 с.

5. Обработка металлов с плазменным нагревом /Под ред. А.Н.Резникова - М:Машиностроение, 1986 -232 с.

6. Витлин В.Б., Давыдов А.С. Электрофизико-химические методы обработки в металлургическом производстве - М:Металлургия, 1988 - 127 с.

7. Смоленцев В.П., Сухоруков Н.В. Модель процесса электроконтактной обработки в жидкой среде /Теплофизика технологических процессов. Сб. трудов конф. - Рыбинск: РАТИ, 1992.

8. Смоленцев В.П., Сухоруков Н.В., Кириллов О.Н. Ресурсосберегающее разделение заготовок /Ресурсосберегающая технология машиностроения. Материалы международной конференции - М.:МАМИ - С.82-83.

Воронежский государственный

технический университет

УДК 620.178.15:620.171.3

В. Я. Иволгин

Испытание композиционных покрытий методом шариковой пробы

Композиционные покрытия широко применяют в подшипниковых узлах трения и уплотнения машин. Одним из основных факторов, определяющих условия трения и износа, является сопротивление материала упруго-пластической контактной деформации. Метод шариковой пробы, по существу является единственным способом испытаний, позволяющий экспериментально исследовать контактные деформации и выявить закономерности, наблюдаемые при внедрении сферических тел в покрытие.

Композиционные покрытия обычно состоят из различных неметаллических материалов, часто без четкой границы между ними. Покрытия могут быть армированы металлом, пропитаны припоем или клеем адгезионно связаны с металлической подложкой.

Изучалось влияние на контактные деформации следующих факторов: неоднородность и толщина покрытия, скорость нагружения и размеры индектора, близость металлической подложки и адгезионные связи на ее границе с покрытием. Испытания проводились на специальной установке как образцов из отдельных материалов, входящих в покрытие, так и самих покрытий на основе политетрафторэтилена, пропитанных баббитом Б83. Работа установки основана на принципе вдавливания в испытуемый образец стального шарика диаметром 5 и 10 мм посредством рычажно-механической системы. Вдавливания при различных нагрузках как в один и тот же отпечаток, так и в разные точки поверхности образца. После каждой ступени нагружения замерялась глубина не восстановленного отпечатка с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,001 мм, а при разгрузке и глубина восстановленного отпечатка. Зависимость глубины внедрения индектора от скорости нагружения и времени выдержки под нагрузкой определялась при тензометрировании с записью на приборе Н-327-5. На основании полученных данных вычислялись следующие характеристики: среднее напряжение в лунке по способу Бринеля; среднее напряжение по способу Майера; напряжение при двукратном вдавливании; пластическая твердость, характеризующая сопротивление материала контактной пластической деформации и критическая нагрузка соответствующая зарождению пластической деформации. Данные характеристики определялись и сопоставлялись для различных образцов из отдельных материалов и покрытий при разных режимах испытаний. Экспериментальные данные прежде всего сравнивались с характеристиками, принятыми за базовые, и полученные при вдавливании шарика диаметром 5 мм, в слой баббита толщиной 0,5 мм, напаянного на стальную подложку. Основная задача здесь заключалась в определении границ и режимов испытаний, при которых экспериментальные результаты можно считать как близкие к геометрически подобным или хотя бы как сопоставимые.

Линейная зависимость глубины внедрения индектора от нагрузки практически не наблюдается так как при малых глубинах оказывает влияние физическая и механическая неоднородность поверхностного слоя покрытия, а при глубинах, превышающих половину толщины покрытия быстро нарастает влияние металлической подложки на ограничение перемещений. Скорость нагружения влияет на глубину внедрения индектора только в первые несколько секунд выдержки образца под нагрузкой. При выдержке образца под нагрузкой в течение нескольких минут влияние скорости нагружения на глубину внедрения практически не сказывается.

Для таких композиционных материалов при температуре 20^ОС заметны явления ползучести. Но при относительно небольших напряжениях в центре отпечатка рост глубины внедрения индектора значительно снижается после 5-10 минут выдержки под нагрузкой. При увеличении нагрузки на индектор время стабилизации глубины отпечатка возрастает и зависит от испытуемых материалов, толщины покрытия, диаметра индектора и адгезионных связей на границе покрытие-подложка. При испытаниях образцов из одного материала глубина внедрения индектора зависит от ограничений деформаций как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях на границе образец-подложка обусловленных адгезионными связями. Эти связи вызывают и соответствующий характер пластически деформированных зон покрытия. С уменьшением толщины покрытия подложки и адгезии на ограничение деформаций возрастает и глубина внедрения уменьшается.

Выводы. Сопоставимые результаты испытаний разных по механическим свойствам покрытий, адгезионно связанных с металлической подложкой, можно получить при нагрузках, соответствующих внедрению индектора на 0,2-0,4 мм толщины покрытия, при скорости нагружения до полной нагрузки в течение 2-4 секунд, с последующей выдержкой в течение 5-10 минут.