Обоснование и расчет достижимых показателей ЭХМ

Обоснование и расчет достижимых показателей ЭХМ

В соответствии с техническим заданием в нашем случае главным из технологических показателей комбинированного процесса является производительность (для схемы прошивки это продольная подача). Решение задачи сводится к определению предельной (Lпp) глубины обработки, на которой наблюдается повышенный съем материала детали (за критерий принято изменение съема от установившегося значения на 5%), которую можно выразить как функцию (y) от параметров процесса.

Lпp = y (Руд, Рn, Рж, S, Lc, Fтр), (7.8)

где Руд – удельная сила на окружающую среду в момент разряда;

Рn - давление внутри газового пузыря в конце его расширения;

Рж - давление на входе в межэлектродный зазор рабочей среды;

S - межэлектродный зазор;

Lc - длина участка по направлению движения рабочей среды в электролизере;

Fтр - коэффициент трения пузырьков со стенками электродов.

Предельная глубина зависит также от площади обработки, вязкости рабочей среды и других факторов. Расчеты, выполненные по физическим моделям, показали, что предельная глубина Lпp = (3,5 … 4) мм. Эксперименты, проведенные независимыми экспертами, дают значения от 3 до 5 мм (рис. 7.6).

Из рис. 7.6 видно, что расчет производительности по глубине обработки можно выполнять по уравнению Клеро, приведенного к параболической форме.

В диапазоне глубин от 0,5 до 3 мм можно считать изменение скорости линейным и рассчитывать ее через установившееся значение (глубина более 3,5 мм).

Погрешность комбинированной эрозионнохимической обработки (d) складывается из бокового зазора за счет эрозии (d₁),бокового анодного растворения материала детали (d₂), других факторов, влияющих на точность технологических систем (d₃).

d = d₁ + d₂ + d₃.

Боковой износ складывается из износа электрода-инструмента и расширения прошитого отверстия на величину со стороны входа инструмента. Поскольку анодный процесс не влияет на износ, а время обработки в целом и, особенно на начальном участке, сокращается, то в комбинированном процессе зазор будет заметно ниже. Боковой износ инструмента можно принять как износ только за счет электроэрозионного разрушения. Известно, что при электрозрозионной прошивке на электроде образуется боковой конус с углом a= (0,3…0,5) градусов, причем с увеличением глубины конус снижается.

Рис. 7.6. Изменение производительности электроэрозионнохимической обработки по глубине отверстия: 1 – нержавеющий сплав; 2 – конструкционная сталь

Тогда =a * L, где L - глубина обработки.

При интенсивной комбинированной обработке боковое расширение отверстия происходит в основном за счет анодного растворения, поэтому можно принять

.

Расширение отверстия происходит за счет анодного растворения и имеет наибольшее значение со стороны входа инструмента

, (7.9)

где h - выход по току; a - электрохимический эквивалент обрабатываемого материала; g - плотность материала; c - электропроводность электролита (преимущественно NaNO₃); U – напряжение на электродах (40-70 В); DU - потери напряжения; V_срк - средняя скорость комбинированной обработки; S_бок – начальный боковой зазор на торце инструмента.

.

где V_ко - скорость подачи в начале обработки; V_уст - скорость подачи на установившемся режиме после углубления электродом на величину L_пр; d₃ - определяется стабильностью процесса, жесткостью технологической системы, точностью изготовления ее элементов и зависит от совершенства оборудования. Эта составляющая близка к той, которая приведена в справочниках для механической обработки.

Шероховатость поверхности (R_zk) после комбинированной обработки оценивают с учетом выравнивания выступов между лунками за счет анодного растворения.

, (7.10)

где R_z - высота неровностей после электроэрозионной обработки.

R_z = К_н А_u^p,

где К_н - коэффициент, для комбинированной обработки К_н=10...20;

А_u - энергия импульса;

Р - показатель степени, для комбинированного процесса, Р» 1/3;

S₀ - начальный зазор, определяется пробойным напряжением. Для комбинированного процесса S₀= 0,05...0,1 мм;

V_k - скорость подачи инструмента при комбинированном процессе, определяется скоростью анодного растворения:

,

где S_т - торцевой зазор. В начале процесса обработки S_т= 0,05-0,1мм, после углубления на установившемся режиме S_т= 0,25 - 0,3 мм. Это объясняется ухудшением условий очистки зазора и наличием в нем большого количества токопроводящих продуктов электроэрозионной обработки, увеличивающих рабочий межэлектродный промежуток. Для глубины обработки большей L_пр здесь нет необходимости считать среднюю скорость, достаточно найти скорость подачи на установившемся режиме.

Шероховатость поверхности после комбинированной обработки несколько снижается по сравнению с электроэрозионной обработкой.

Природа образования неровностей и измененного слоя (Т) однотипна, поэтому для оценки глубины Т достаточно принять во внимание коэффициенты, учитывающие глубину лунки (К_н) и толщину слоя (К_т) после электроэрозионной обработки .

По известной высоте неровностей с использованием зависимостей [4] можно найти ожидаемое изменение усталостной прочности материала (), обработанного комбинированным методом .

После электрохимической обработки жаропрочных сплавов коэффициенты

А = 300 - 350, a = - (0,1 - 0,15).

Для электроэрозионной обработки А, a близки к указанным, поэтому усталостную прочность можно оценивать по шероховатости, которая после комбинированного процесса близка к показателям исходных процессов. Действительно, усталостные испытания не показали снижения этого показателя после комбинированной обработки. Износ электрода-инструмента обусловлен эрозией и определяется отношением потери материала с инструмента к объему, снятому с детали. При прошивке этот показатель можно взять как соотношение скоростей износа инструмента по длине и его продольной подачи. Тогда износ инструмента при комбинированной обработке (И_к) следует выразить через известный износ при электроэрозионной обработке (И_ээо)

И_к = И_ээо ×V/V_к, (7.11)

где V - скорость подачи при эрозионной обработке.

Из этого можно заключить, что на участке до предельной глубины (L_пр) при комбинированном процессе относительный износ инструмента будет значительно ниже по сравнению с электроэрозионной обработкой. Далее этот показатель ухудшится, но останется значительно лучше, чем при электроэрозионном процессе.

Расход энергии зависит от коэффициента полезного использования технологического тока при комбинированной обработке (h_к)

, (7.12)

где К - коэффициент, зависит от рабочей среды, материалов электродов, характеристики импульсов;

f - частота следования импульсов;

I_к - сила тока при комбинированной обработке.

Из анализа зависимости (7.12) можно судить, что при комбинированном процессе доля полезного использования энергии значительно превышает возможности электроэрозионной и близка к электрохимической обработке.

Аналогичный анализ следует провести для электрохимической обработки с наложением ультразвуковых и низкочастотных колебаний, энергии лазера и сделать сравнение результатов. Нами выяснено, что для отверстий с глубиной до 5 мм оптимальной является электрозрозионнохимическая, для более глубоких – электрохимическая обработка с наложением колебаний. При незначительных габаритах и массе зоны обработки предпочтительнее ультразвуковые колебания, при формообразовании крупных полостей и отверстий - используют низкочастотные колебания, которые хотя и дают меньший эффект, но требуют более простых узлов оборудования и имеют лучшие энергетические характеристики. Применение лазера ограничено, т.к. требует одноразового использования рабочей среды и не всегда гарантирует подвод луча в зону обработки. На рассматриваемой стадии развития исследований электрохимическая обработка с наложением лазера применялась в экспериментах для формообразования мелких полостей небольших габаритов.

Все рассмотренные процессы используют на электрохимических станках с подключением электродов к генераторам импульсов (эрозионно-химическая обработка, электрохимическая с наложением ультразвука) или установкой вибратора (чаще на механизм подачи электрода-инструмента), системы управления лучом лазера.

На диаграмме (рис. 7.7) показаны технологические показатели эрозионно-химического прошивания конструкционных сталей, которое достаточно полно изучено и по нему имеется достоверная информация для объективной оценки показателей спроектированного процесса [4].

Анализ рис. 7.7 показывает, что требования задания на комбинированный процесс выполнены: достигнута высокая производительность (особенно при малой глубине отверстий), сохранены приемлемая шероховатость и износ инструмента, улучшены или сохранены на исходном уровне остальные показатели.

	a)		б)
	в)		г)
		д)

	Рис. 7.7. Технологические показатели электроэрозионнохимического прошивания a) скорость прошивки б) погрешность формы и размеров отверстия в) шероховатость торцевой (слева) и боковой поверхности г) износ инструмента д) коэффициент полезного использования технологического тока: I - электроискровая, II - электрохимическая размерная; III - комбинированная обработка.

На рис. 7.7 приведены показатели спроектированного процесса и показаны его характеристики в сравнении с исходными методами обработки (электроискровым и электрохимическим). Рассмотрены достигнутые показатели производительности прошивки, которая вначале на порядок выше любого из базовых процессов, а затем сохраняется на уровне, превышающем аналогичный показатель анодного растворения. Очевидно, что для отверстий малой глубины средняя величина подачи во много раз превышает скорость перемещения инструмента при электроэрозионной и электрохимической обработке.

Погрешность, шероховатость и показатель использования подводимой энергии остались примерно на том уровне, что и для исходных методов. Износ инструмента (рис. 7.7) по сравнению с электроэрозионной обработкой снизился на порядок, а в начале процесса он приблизился к показателю безизносной схемы. Но, в отличие от нее, производительность комбинированного метода возросла, а не снизилась, как это свойственно безизносной схеме злектроэрозионной обработки.

Для обоснования правомерности выбора эрозионно-химической прошивки в качестве оптимального процесса приведены расчетные зависимости и наиболее эффективные режимы обработки других сравниваемых методов, а также достигнутые технологические показатели (см. табл. 7.1). Анализ показателей подтверждает правильность использования электроэрозионнохимической обработки для прошивки неглубоких отверстий.

7.4.2 Электроабразивная обработка (ЭАО)

Механизм ЭАО. Формируется на базе известного процесса шлифования, где имеют место импульсные механические воздействия. В зависимости от вида обрабатываемого материала и формы поверхности детали этот вид обработки может применяться при любой полярности тока (в том числе при переменной). С учетом технологических ограничений можно дать генеральные рекомендации по выбору полярности тока:

- при шлифовании труднообрабатываемых материалов (закаленные стали, твердые сплавы и др.) химическое воздействие необходимо для снижения сил резания, что достигается анодным растворением и тепловым действием электроконтактной обработки, т.е. процесс протекает при прямой полярности (заготовка – анод);

Таблица 7.1. Анализ выбора КМО при прошивке отверстий

Наименование метода	Режимы и расчетные технологические показатели	Достигнутые показатели
Электрохимическая размерная обработка с наложением ультразвуковых колебаний	Напряжение - 10... 15 в Частота колебаний 18... 22 кгц Амплитуда колебаний - до 40 мкм Скорость подачи инструмента Vк=Vэхо + Vузо, где Vузо – скорость съема за счет ультразвуковой обработки и интенсификации процесса анодного растворения	Скорость прошивки - 2,5...3 мм/мин Шероховатость - 2,5...3 мкм Погрешность – 0,35...0,4 мм Удельный расход энергии 100-120 квт. час/кг
Электрохимическая размерная обработка с наложением низкочастотных колебаний	Напряжение - 10... 15 в Частота колебаний -10... 100 гц Амплитуда (0,3...0,5) S0 Скорость прокачки рабочей среды Vж >2 м/с Скорость подачи инструмента где b – показатель степени, учитывает воздействие колебаний (b =1,2...1,3)	Скорость прошивки возрастает на 20% Остальные показатели соответствуют электрохимической размерной обработке
Электрохимическая размерная обработка с облучением лазером	Напряжение - 6...8 В Скорость подачи инструмента ,	Скорость прошивки в начале обработки возрастает до 20 раз

- если обрабатывают вязкие материалы (медь, титан, алюминий и их сплавы, жаропрочные сплавы и др.), то необходимо снизить негативное влияние тепловых процессов (прижогов), изменения механических характеристик (перенаклепа) из-за наволакивания материала заготовки на абразивный инструмент (так называемое "засаливание"). Для устранения этого негативного явления химическое и тепловое воздействие направляют преимущественно на удаление загрязнений с инструмента, т.е. процесс выполняют при обратной полярности (анод – инструмент);

- в случае обработки биметаллов и в некоторых других приложениях (например, при шлифовании магнитных сплавов с мягкой связкой) требуется совместить оба вида полярности. Тогда процесс проводят на переменном токе с различной величиной полуволн, т.е. с регулируемой подачей электричества в зону обработки.

ЭАО выполняется по схемам, близким к методам механической обработки абразивным инструментом. Наиболее часто используется схема шлифования, при котором за счет вращения абразивного токопроводящего круга достигается механический съем материала заготовки, обеспечивается требуемая (до 20 м/с) скорость перемещения рабочей среды между электродами. За счет наложения электрического тока при малом межэлектродном зазоре (не более высоты выступания из круга абразивного зерна) процесс приобретает характеристики ЭКО в жидкой среде, которая способна проводить ток, что активизирует комбинированный метод путем механической депассивации (МИВ) поверхностного слоя заготовки и анодного растворения (ЭХО).

Рассматриваемый процесс при прямой полярности требует управления составляющими воздействиями в следующей последовательности:

- при съеме основного припуска необходимо усилить действие электрического поля, снижая при этом точность ппрофиля на концевых участках, но улучшая показатели по шероховатости, энергозатратам, износу инструмента;

- при финишной обработке (выхаживании) целесообразно силу тока снизить (или ток выключить) и произвести зачистку абразивом, потеряв на использовании энергии и износе инструмента, но достигнув высокой точности профиля по всей поверхности.

При обратной полярности величина тока, подаваемого на инструмент, выбирается из условия очистки круга от вязких продуктов обработки и поддерживается на минимальном уровне, превышение которого увеличивает износ инструмента.

В случае переменной полярности удается достичь наиболее высоких технологических показателей, но на рассматриваемом этапе развития науки в этой отрасли не удается создать надежное и доступное управление процессом.

В работе в основном рассматривается схема ЭАО при прямой полярности.

Обоснование предельных технологических возможностей. Электроабразивное и электроалмазное шлифование повышает производительность операции по сравнению с обычной абразивной обработкой до 50 раз, сокращает расход инструмента в 1,5...2 раза. Чтобы избежать дополнительных погрешностей, на кромках заготовки, где наблюдается повышенный съем металла, такую обработку выполняют в несколько этапов, последний из которых проводится либо при очень низком напряжении (3...5 В), либо при выключенном источнике питания. Тогда удается достичь точности не ниже, чем при абразивном или алмазном шлифовании. Следует учитывать, что токопроводящие круги сложно править, придавая им требуемый профиль. Инструменты для электроалмазного шлифования в большинстве случаев вообще нецелесообразно профилировать, если глубина профиля превышает несколько миллиметров. Это объясняется малой толщиной алмазоносного слоя и значительной стоимостью удаленных при правке алмазных зерен.

Для изготовления деталей со сложным профилем целесообразнее применять схему со свободным абразивом, хотя точность формообразования здесь значительно ниже. Это объясняется тем, что пока еще нет надежных способов подачи абразива в зону обработки, чтобы количество зерен равномерно распределялось по поверхности. Такой вид обработки в основном применяют для предварительного удаления припуска или для случаев, когда допуски на размеры достаточно большие. Для плоских поверхностей или участков с плавным изгибом свободный абразив может успешно использоваться для притирочных и доводочных операций, обеспечивая при этом высокое качество поверхности и точность формы.

Обработка в электролите с неэлектропроводным наполнителем дает возможность получить шероховатость поверхности штампованных или литых деталей в пределах R_а£1 мкм. При этом время процесса по сравнению с механической обработкой сокращается примерно в 20 раз.

Если наполнитель электропроводный, можно, кроме ускорения процесса удаления неровностей, обеспечить размерный съем металла, т. е. получать требуемую точность удаленных от места подвода тока поверхностей. К таким деталям относятся внутренние поверхности корпусов насосов компрессоров, закрытые центробежные колеса.

При оценке технологических показателей ЭАО следует учитывать, что она используется как на черновых, так и на чистовых операциях. При черновой обработке режимы выбирают из условия обеспечения максимальной производительности. На чистовых операциях главным является обеспечение высокой точности и хорошего качества получаемых поверхностей.

При применении абразивного инструмента точность обработки значительно повышается по сравнению с электрохимическим шлифованием, но она ниже, чем при обработке абразивным или алмазным инструментом. Погрешность после электроабразивного шлифования находится в пределах 0,02-0,05 мм, а после электроалмазного - 0,01-0,02 мм (погрешность для обычного алмазного шлифования - 0,001-0,005 мм). Снижение точности при прохождении электрического тока объясняется повышенной скоростью съема металла на кромках и его удалением с поверхности, уже обработанной начисто абразивом. Для устранения этого недостатка последние ходы инструмента осуществляют без наложения электрического тока, а производят выглаживание.

При использовании для обработки свободного абразива погрешность обработки находится в пределах 0,02-0,5 мм, что объясняется сложностью создания его постоянной концентрации в зазоре и, как следствие, – нестабильностью удаления припуска.

Качество поверхности заметно повышается при соблюдении условия обновления зерен (обратная полярность), когда силы резания в рассматриваемом способе обработки в 1,5-2 раза ниже, чем при обычном шлифовании. Это снижает наклеп поверхности детали, предотвращает образование микротрещин. Снимаемый с заготовки металл не налипает на инструмент, что исключает нагрев и возникновение прижогов. Перечисленные дефекты особенно неблагоприятны для высоконагруженных деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок (зубчатые колеса, шлицевые соединения). Их отсутствие дает возможность значительно повысить ресурс детали.

Шероховатость поверхности после ЭАО снижается из-за более интенсивного анодного растворения по пикам микронеровностей. Для аналитического определения параметра шероховатости R_а можно предложить выражение

R_a = K ^. R_aш,

где R_аш - шероховатость поверхности после шлифования, мкм; К - коэффициент, учитывающий скругление выступов при наложении электрического тока, К = 0,1-0,5.

Если, с целью повышения точности, последние ходы электроабразивного шлифования выполняются без наложения тока, то окончательная шероховатость поверхности близка к шероховатости, получаемой при традиционном шлифовании, - R_а= 0,63 - 0,15 мкм. При использовании электронейтрального инструмента электрический ток не выключают, что позволяет получать шероховатость поверхности R_а= 0,1-0,15 мкм.

Комбинированные процессы позволяют ускорить процесс удаления припуска, поэтому производительность возрастает.

При черновых режимах удаление металла происходит преимущественно за счет электроэрозии. Процесс близок к электроэрозионному, и производительность Q оценивается по аналогичной формуле

Q=k^.I, (7.13)

где I - сила тока при обработке, А; k - коэффициент, который учитывает материал электродов, режим обработки и долю съема за счет анодного растворения и абразивной обработки, г/(А^.с). Он незначительно превышает аналогичный коэффициент для электроэрозионной обработки.

При обработке на чистовых режимах снижается рабочее напряжение и доля удаленного металла за счет эрозии и резания зерном. Основной вклад в производительность (Q) процесса вносит анодное растворение:

, (7.14)

где F - площадь обрабатываемой поверхности.

При использовании электронейтрального инструмента скорость удаления припуска возрастает за счет анодного растворения и интенсификации процесса резания абразивным инструментом. В этом случае определение производительности производят также, как при шлифовании, а влияние тока учитывают коэффициентом, который зависит от свойств обрабатываемого материала и изменяется в достаточно широких пределах.

При проектировании технологических процессов с использованием ЭАО следует рассчитывать и выбирать следующие режимы:

- Состав электролита. Применяют растворы, содержащие хлориды натрия и калия, нитрат и нитрит натрия. Массовая доля нитрита натрия не превышает десятых долей процента. Но этого достаточно, чтобы появилась необходимость установки защиты от коррозии деталей оборудования и заготовки. Для снижения вязкости раствора в него добавляют фторид натрия. Такая добавка способствует растворению коллоидных гидрооксидов и повышает скорость съема металла. Известны также составы, содержащие олеиновую кислоту, сульфаты, фосфаты и др. Они способствуют повышению качества поверхности, точности и производительности процесса.

При обработке жаропрочных сплавов в большинстве случаев применяют растворы хлорида и нитрата натрия, для твердых сплавов - гидроксида натрия.

Шлифование электронейтральным инструментом выполняют с применением водных растворов буры, нитратов натрия и калия. Для твердых сплавов в электролит добавляют жидкое стекло. При хонинговании чаще всего используют растворы фосфатов и нитратов. Обработку с использованием свободного абразива ведут в растворе хлорида натрия. В последние годы удалось в качестве рабочей среды использовать станочные смазывающе-охлаждающие жидкости, особенно токопроводящие. Применение даже слабого (2... 3 %) раствора кислоты способствует значительному повышению электропроводности рабочих сред, однако, требует дополнительных затрат по обеспечению техники безопасности.

При расчете режимов следует учитывать, что:

- температура электролита, подаваемого в зону обработки, остается такой же, как и при ЭХО (293... 300 К). Применение более высоких значений температур приводит к резкому снижению качества обрабатываемой поверхности;

- рабочее напряжение на электродах при ЭАО назначают на черновые и чистовые операции. Для черновых операций напряжение выбирают в диапазоне 15...32 В, для чистовых - 3...15 В. При обработке твердосплавных заготовок применяют нижнее значение напряжений указанных диапазонов. Если ведется обработка со свободным абразивом, то напряжение на электродах повышают (до 80 В);

- давление инструмента на заготовку для получения более высокой производительности и точности должно находиться в пределах 0,2...0,5 МПа. Увеличение силы прижима вызывает ускоренный износ круга и снижение технологических показателей процесса;

- увеличение скорости движения инструмента относительно обрабатываемой поверхности улучшает вынос продуктов обработки, увеличивает производительность процесса и повышает качество обработки. Для шлифования абразивным и алмазным инструментом со связанным и свободным абразивом частота вращения n круга диаметром D составляет n = V/(pD), где V= 18...30 м/с - скорость на периферии инструмента. При использовании электронейтрального инструмента при шлифовании скорость круга остается такой же, а при хонинговании. Она определяется числом ходов брусков в единицу времени (обычно 0,5...1,5 двойных хода в секунду) и частотой вращения заготовки.

Общую скорость V_о находят как сумму скорости V₁ движения инструмента вдоль оси вращения и скорости V₂ от вращения заготовки:

.

7.4.3. Химикомеханическая обработка (ХМО)

Описание способа и область его применения. Метод нашел применение в основном для обработки каналов постоянного сечения, где использован новый способ регулирования подачи комбинированного инструмента (а.с. 663518, 1085734), обеспечивающего высокую точность обработки и гарантированный наклеп поверхности, позволяющий получить наибольший предел усталостной прочности деталей.

В работе [10] показано, что усталостная прочность материалов после электрохимической размерной обработки может снижаться по сравнению с механическим формообразованием. Это объясняется уменьшением и устранением наклепа поверхности, а также микрорастравливанием сплавов. Приведенные результаты исследований показали возможность устранения или снижения негативного воздействия анодного растворения на прочность деталей за счет упрочнения. Установлено, что существует оптимальная степень наклепа, при которой усталостная прочность сплавов имеет наибольшее значение. Как правило, этот показатель занимает промежуточное значение между минимальным наклепом (после электрохимической размерной обработки) и его наибольшим значением (после дробеструйного, виброударного и другого упрочнения).

В таблице 7.2 показаны осредненные значения усталостной прочности материалов при испытании без нагрева (база испытаний 10⁷ циклов). Анализ таблицы 7.3 показывает, что при существующих методах обработки не удается достичь наибольшей прочности материала, т.е. поднять ресурс изделий до теоретически возможного предела. Этому мешает наклеп исходной поверхности перед упрочнением, который может изменяться после точения до 2-3 раз, фрезерования – до 1.5 раз, шлифования – до 2,5…2,6 раз.

Из таблицы 7.2 видно, что изменение степени наклепа даже на 1-2% резко изменяет усталостную прочность сплава. Следовательно, перед упрочнением необходимо создать поверхность, не имеющую наклепа или с минимальной его величиной. Вторым фактором, обеспечивающим нужный наклеп, является стабильная сила давления на деформирующий инструмент. В случае обработки каналов вводится еще одно ограничение – равномерный расчетный припуск, изменение которого должно быть в пределах 8-10 мкм. Но возможности электрохимической размерной обработки не позволяют получить такую погрешность, поэтому требуется создание комбинированного метода, обеспечивающего высокую точность профиля и гарантированный наклеп поверхности. Применительно к каналам в нем использован новый принцип подачи электрода-инструмента: с постоянной продольной силой вместо стабильной скорости перемещения (рис. 7.8), где показана [8] схема, реализующая способ электрохимикомеханической

Таблица 7.2. Изменение усталостной прочности сплавов при различном наклепе поверхности

Сплав		Наибольшее увеличение показателя усталостной прочности, %
После электрохимической размерной обработки	После упрочнения	Оптимальные значения
Стали:
40ХНМА				10,2
ЭИ437Б				13,6
Сплавы:
ЖС-6К				29,4
Титановые сплавы:
ВТ3-1
ВТ9

	Рис. 7.8. Электрод-инструмент для комбинированной обработки

обработки комбинированным электродом-инструментом. Электрод-инструмент содержит рабочую часть 1, калибрующий элемент (дорн) 2, передний 3 и задний 4 направляющие элементы, выполненные по форме контура обрабатываемой поверхности из диэлектрика. В элементе 2 для прохода электролита выполнены отверстия 5, а в элементах 3 и 4 – пазы 6 и 7 соответственно. Рабочая часть 1 и калибрующий элемент 2 соединены между собой посредством тяги 8 с диафрагмой 9 и упругого элемента 10. На внутренней поверхности рабочей части 1 установлен прерыватель тока к механизму для протягивания со штоком 11, а на внутреннем торце ее - тонкая диэлектрическая прокладка 12. Рабочий ток от источника питания подводится токоподводом 13.

Для заданной величины наклепа находят расчетным или экспериментальным путем припуск, необходимый для протягивания. Скорость перемещения комбинированного инструмента задают такой, чтобы, независимо от исходного припуска после обработки поверхности рабочей частью 1 инструмента, оставался назначенный припуск под протягивание. Для регулирования скорости перемещения ЭИ может быть использовано постоянное усилие продольного его перемещения, которое обеспечивают механизмом подачи станка.

Сопротивление движению калибрующего элемента 2 зависит только от припуска, оставшегося после анодного растворения, необходимого для обеспечения расчетной величины наклепа. Следовательно, размещенная перед элементом (по ходу движения инструмента) рабочая часть электрода растворяет припуск до того момента, пока не останется стабильный стой материала под упругопластическую обработку. Это гарантирует высокую точность изготовления канала (7-9 квалитет), стабильность наклепа (отклонение от расчетной величины не более 1%).

Инструмент вводят в предварительно вскрытое отверстие с припуском, большим того, который снимают при протягивании. После подачи рабочего тока и электролита в зону обработки происходит анодное растворение обрабатываемой поверхности под рабочей частью 1 до величины припуска, необходимого для протягивания. При дальнейшем движении комбинированного инструмента калибрующий элемент 2 за счет оставшегося припуска создает требуемый наклеп поверхности.

Таким образом в этом методе используется ЭХО и механическое упрочнение, которое управляет законом движения электрода-инструмента.

Комбинированная электромеханическая обработка может быть реализована во многих случаях [8]. Если имеется местное снижение диаметра канала заготовки, то способ позволяет ускоренно удалять повышенный припуск непосредственно перед калибрующим элементом 2 за счет задания инструменту для электрохимической обработки осциллирующего движения вдоль оси канала. При этом возникает ускоренного производительного локального съема металла в месте повышенного наклепа, создаваемого ударными воздействиями инструмента.

В тех случаях, когда происходит остановка калибрующего элемента 2 на участках со сниженным диаметром обрабатываемого канала, рабочая часть 1 комбинированного электрода-инструмента продолжает движение до тех пор, пока диафрагма 9 тяги 8 не надавит на шток 11 прерывателя технологического тока. В результате прекращается рабочее продольное движение и происходит полная остановка электрода-инструмента. Далее под действием элемента 10, упругость которого соответствует расчетной силе протягивания, рабочая часть 1 начинает совершать возвратно-поступательное движение к калибрующему элементу 2. По достижении рабочей частью 1 исходного положения (ее контакт с калибрующим элементом 2 через диэлектрическую прокладку 12) освобождается шток 11 и создается рабочая сила для протягивания, возобновляется движение подачи комбинированного электрода-инструмента. Выравнивание припуска под калибрование позволяет обеспечить высокую точность канала независимо от погрешности заготовки.

Расчет предельных технологических показателей. Конечная точность канала и его наклеп зависят от величины продольной силы перемещения комбинированного электрода-инструмента, определяемого размерами обрабатываемой заготовки, припуском на упрочнение (натягом на калибрование), геометрией инструмента, физико-механическими свойствами обрабатываемого материала, трением на контактных поверхностях и другими факторами, взаимосвязи которых определяют технологические показатели комбинированного метода.

Натяг калибрующего элемента определяет величину продольной силы и нормальное давление в зоне контакта калибрующего элемента с обрабатываемой деталью.

Величину натяга Z_упр необходимо выбирать, исходя из условия получения требуемого наклепа, создания благоприятных остаточных напряжений, достижения меньшей шероховатости обработанной поверхности.

Диаметральный натяг 2 Z_упр определяют [8] как разность номинальных размеров (диаметров) контактирующих поверхностей калибрующего элемента d_k и отверстия d₀, полученного после предшествующей электрохимической обработки

2 Z_упр = d_k - d₀. (7.15)

Для обеспечения такого натяга необходимо деформировать деталь со степенью деформации [8]

E= 200 Z_упр/d₀,

где E — степень деформации, %.

В процессе деформации механические свойства металлов значительно изменяются. Характер и величину изменения механических свойств можно определить по эмпирической зависимости [8], в которой учтены твердость металла и воздействие предшествующей электрохимической обработки:

HB=HB₀+AEⁿ, (7.16)

где HB — твердость, соответствующая оптимальному наклепу поверхностного слоя;

HB₀ — твердость, соответствующая исходному состоянию металла;

A, n — эмпирические коэффициенты.

Степень деформации E и степень наклепа U_H, связаны зависимостью, приведенной в [8]

. (7.17)

Откуда

. (7.18)

После некоторых преобразований получена зависимость для расчета натяга, обеспечивающего требуемый наклеп поверхности:

, (7.19)

Твердость металла в ненаклепанном состоянии HB₀ и эмпирические коэффициенты A и n выбираются с учетом рекомендаций [8].

Для реализации разработанного КМО необходимо определить продольную силу, которая требуется для преодоления сопротивления металла деформированию и силы трения, возникающей в зоне контакта обрабатываемой заготовки с рабочей поверхностью калибрующего элемента.

Силу, необходимую для перемещения комбинированного инструмента при расчетном натяге без учета наклепа поверхностного слоя перед калибрующем элементом, можно определить как сумму составляющих нормальных давлений и контактных касательных сил в направлении действия силы

P=P_д+P_тр, (7.20)

где P_д — деформирующая сила;

P_тр — сила трения на конической контактной поверхности.

Для определения величины деформирующей силы выделяют на контактной поверхности элементарный участок dF_k (рис. 7.9). Нормальная сила dP_k, действующая на этот участок:

dP_k=P_kdF_k,

где P_k — нормальное контактное давление.

По направлению движения инструмента будет действовать составляющая dP силы dP_k:

dP=dP_k ^. cos(90° - a),

где a — угол заборного конуса калибрующего элемента;

90°- a — угол между направлением нормального контактного давления и направлением движения инструмента.

После преобразований

dP=P_k ^. dF_k ^. cos(90° - a). (7.21)

Рис. 7.9 Расчетная схема для определения продольной силы

Произведение dF_k ^. cos(90° - a) представляет собой площадь проекции рассматриваемого элементарного участка контактной поверхности на плоскость, перпендикулярную к направлению движения инструмента, т.е. на плоскость, перпендикулярную к направлению действия технологической продольной силы, где

dF = dF_k ^. cos(90° - a).

Откуда

dP = P_k ^. dF_k. (7.22)

Деформирующая сила P_д действует на плоскость, перпендикулярную к вектору движения инструмента, и изменяется по зависимости

. (7.23)

Принимая давление постоянным и равномерно распределенным по поверхности контакта калибрующего элемента и заготовки определяют деформирующую силу

Pд = P_k ´ F¢ ´ sin a, (7.24)

где F¢ — площадь конической поверхности калибрующего элемента.

F¢ = p Z_упр(d_k-Z_упр) / sin a. (7.25)

где d_k — диаметр по ленточке калибрующего элемента;

Из (7.48) и (7.49)

P_д = p P_k Z_упр(d_k - Z_упр). (7.26)

Вектор силы трения на конической контактной поверхности, спроектированный на вектор движения инструмента, определяется через величину нормального контактного давления и коэффициент трения f.

P_тр = p P_k Z_упр(d_k - Z_упр) ^. f / tg a (7.27)

Величина силы протягивания ЭИ (P), равна сумме Р_д и Р_тр.

P = p P_k Z_упрd_k ^. ( 1 + f / tg a), (7.28)

гдк принято d_k=d_k-Z_упр.

Из (7.52) следует, что на величину Р влияет геометрия калибрующего элемента.

Точность канала после КМО зависит от диаметра рабочего пояска калибрующего элемента и стабильности величины припуска Z_упр.

Величину суммарной погрешности D₀ можно определить по зависимости

, (7.29)

где d_s — поле рассеяния размеров отверстий после обработки; d_HB — поле рассеяния твердости обрабатываемого материала; — поле рассеяния натягов на калибрующем элементе;

d_ks — поле рассеяния размеров, вследствие изменения коэффициента осевых напряжений;

d_T — погрешность от тепловых деформаций заготовки при колебании температуры нагрева в процессе калибровки канала; d_Ф — предельное отклонение формы отверстия; D_Ф — отклонение от круглости отверстия.

Доли погрешностей, входящих в (7.29), оцениваются путем сравнения с точностью калибрования дорнованием и показателями электрохимикомеханической обработки.

Наибольшие отклонения размеров отверстий зависят от двух факторов - нестабильности исходных свойств материала заготовок d_HB и непостоянства величины натяга дорнования d_Zупр. При этом величина погрешности d_HB может быть значительной, так как рассеяние твердости вследствие технологической наследственности может достигать 30 - 40% от ее среднего значения. Величину d_HB можно снизить дополнительными термическими операциями для выравнивания механических свойств заготовок.

Предшествующая стадия электрохимической размерной обработки по предлагаемому способу позволяет снизить величину погрешностей размеров канала в несколько раз. Так, погрешность d_HB, обусловленная неоднородностью механических свойств, может быть сведена к нулю при условии, что величина припуска, удаленного электрохимическим методом, больше глубины залегания остаточных напряжений.

Повышение исходной точности канала перед калиброванием приводит к снижению погрешности обработанного отверстия, так как создаются предпосылки стабилизации натяга на калибрующем элементе и сужения поля рассеяния натягов d_Zупр, определяемых полем допуска отверстия, предварительно обработанного ЭХО с получением требуемого припуска на деформирование.

Результаты оценки суммарной погрешности D₀ в поперечном сечении для образцов из труб, изготовленных из стали 45 методом проката, приведены в таблице 7.3.

Случайная погрешность d_ks обусловлена колебаниями величины продольной силы, которая при современных средствах ее регулирования пренебрежимо мала.

Предшествующая электрохимическая обработка позволяет снизить погрешности формы отверстия d_Ф и D_Ф до 15 - 50% от общей величины, особенно при малых диаметрах отверстий. В период взаимодействии заборного конуса калибрующего элемента с обрабатываемой поверхностью происходит нагрев зоны обработки до 373 - 573 К, что приводит к появлению тепловых деформаций и изменению физико-механических свойств материала заготовок. Изменение температуры вызывает увеличение размаха суммарного рассеяния размеров отверстий. Рассматриваемый процесс улучшает условия охлаждения рабочей зоны (обильная подача жидкого электролита) и за счет скорости подачи инструмента и в случае скорости калибрования 0.01 - 0.012 м/с нагрев практически прекращается. При установившемся теплообмене поле рассеяния размеров отверстий обычно невелико, и погрешностью d_T можно пренебречь.

Таблица 7.3. Расчетные значения случайных погрешностей труб после КМО

Поперечное сечение трубы	Случайные погрешности	Квалитет точности
dS	dHB	dZупр
48´8	0,0018 0,0016	0,011	0,161 0,021	11
89´8	0,0018 0,0016		0,233 0,043	12

Примечания: Числитель - значения погрешностей после дорнования, знаменатель - значения погрешностей после электрохимикомеханической обработки по а.с. № 1085734.

Анализ зависимости (7.29) с учетом условий электрохимикомеханической обработки показывает, что здесь создаются реальные предпосылки повышения точности канала за счет снижения величины составляющих погрешностей (рис 7.10).

	a)		б)

	Рис. 7.10. Схема для определения суммарной погрешности обработки канала в поперечном сечении а) при дорновании; б) при комбинированной обработке.

Анализ рис. 7.10 показывает, что комбинированный метод заметно снижает погрешность размеров каналов. Расчет погрешности выполняют по методике:

- из литературных источников выбирают первичные погрешности, свойственные предлагаемому процессу;

- рассчитывают значения первичных погрешностей;

- определяют значение суммарной погрешности D₀;

- по справочным данным находят для соответствующего чертежу детали квалитета точности допустимые погрешности канала. Если суммарная погрешность не выше заданной, то комбинированная электрохимикомеханическая обработка пригодна для использования в технологическом процессе. В том случае, когда суммарная погрешность превышает допустимое значение, меняют технические условия заготовки или изменяют технологические режимы обработки, после чего повторно рассчитывают суммарную погрешность D₀ и сравнивают ее с заданным в чертеже детали значением.

На рис. 7.11 приведен алгоритм автоматизированного расчета параметров КМО. В его основе лежит предложенный в [9] критерий массовыноса

,

где m ₁ – масса удаленных при анодном растворении продуктов обработки;

m ₂ – масса продуктов обработки, которые могут быть вынесены из зоны анодного растворения потоком электролита с выбранными характеристиками (степень загрязненности, скорость и др.).

7.4.4 Контактномеханический метод

Особенности метода. К особенностям метода относится протекание процесса при временном контакте электродов, что возможно только в случае использования низкого напряжения, когда сопротивление окисных пленок достаточно для предотвращения импульса тока. Окисные пленки на металлах являются полупроводниками, и между электродами протекает ток, который, ввиду малой толщины пленки, создает плотность выше предельной, т.е. обеспечивает анодный съем припуска в местах контакта электродов. При этом скорость удаления металла зависит от толщины пленки, изменяющейся под действием контактного давления, например, в зубчатых передачах. В этом случае достигается локальное удаление припуска на аноде и его выравнивание относительно теоретического профиля. Такой процесс используется при ремонте и восстановлении контактных пар (зубчатых колес, шлицевых соединений), когда одна из деталей сохраняет требуемую точность профиля (например, зубчатое колесо большого диаметра) или такая деталь заменена на новую, изготовленную с заданной точностью.

В случае износа профиля зубьев (шлицев) на обоих колесах и при наличии припуска на обработку за счет остаточной (после эксплуатации) части допуска на толщину зуба можно использовать переменную полярность, где обработка происходит по схеме притирки и может снизиться имеющееся нарушение теоретического профиля, например, эвольвенты.

Механизм протекания процесса. На примере зубчатых передач показано, что местные разрушения профиля при эксплуатации, как правило, вызывают концентрацию напряжений, несовместимую с дальнейшей эксплуатацией узлов, и такие зубчатые колеса необходимо заменять.

При расчете технологических режимов учитывают, что в любом случае износ одного из колес (как правило, меньшего диаметра) существенно выше, поэтому параметры процесса находят, принимая колесо с меньшим износом кондиционным (что в большинстве случаев отвечает реальности).

Тогда расчетная схема для управления процессом отвечает приведенной на рис. 7.12, где приняты следующие начальные условия: износ по профилю зуба имеет плавные переходы между участками; минимальный припуск имеет положительное значение относительно нижнего предельного контура зуба (граница 3 на рис. 7.12); металлический контакт между сопрягаемыми зубьями отсутствует, т.е. в точке «а» (рис. 7.12) имеется некоторый слой рабочей среды, препятствующий соприкосновению частей 1;2 при доводке.

Граничным условием будет

, (7.30)

где z_min – минимальный припуск относительно нижней границы допуска на толщину зуба для заданной степени точности зубчатой передачи.

Для выполнения граничного условия (7.30) необходимо рассчитать величину неравномерности припуска (Δz) в конце доводки.

	Рис 7.12. Расчетная схема процесса при доводке профиля зуба: 1 - профиль не изношенного зуба; 2 - контур сечения изношенного зуба с рабочей стороны; 3 - нижняя граница по толщине изношенного зуба; 4 - вязкий приэлектродный слой; Zmax – предельный допуск на обработку изношенного зуба; Zmin – минимальный припуск на обработку изношенного зуба; Dz – неравномерность припуска по профилю.