Комбинированные методы обработки деталей машин

Непрерывно возрастающие требования к качеству выпускаемых машин связаны с необходимостью повышения их надежности, которая в значительной степени определяется эксплуатационными свойствами отдельных деталей.

Эксплуатационные свойства деталей машин существенно зависят от качества поверхностного слоя, определяемого геометрическими (макроотклонения, шероховатость) и физико-механическими (микротвердость, структура, остаточные напряжения) параметрами. Все эти параметры зависят от технологии изготовления деталей, однако традиционные методы обработки часто не позволяют эффективно получать необходимые параметры качества поверхностей. Анализ технологических методов обработки поверхностей деталей машин показывает, что универсальных методов нет, каждый имеет свою конкретную область рационального применения, зачастую достаточно узкую. Технолог и конструктор стоят перед проблемой выбора высокоэффективного метода обработки из большого числа возможных или создания на основе их совмещения комбинированного метода обработки детали. На предприятиях машиностроения все шире применяются комбинированные методы термомеханической, электрофизической, электрохимической и ионно-лучевой обработки, в основу которых положено использование высокопроизводительных инструментов, а также разнообразных источников высококонцентрированной энергии. В процессе такой обработки поверхностный слой детали поглощает в короткое время значительное количество энергии. Образующиеся в нем неравновесные диссипативные структуры аккумулируют избыток энергии и самопроизвольно стремятся к состоянию с наименьшей свободной энергией. В поверхностном слое происходят необратимые процессы наследственности и самоорганизации, которые путем наложения и совместных действий потоков энергии ведут к образованию комплекса структур с определенными свойствами.

Большими потенциальными возможностями улучшения эксплуатационных свойств поверхностей деталей машин обладает электромеханическая обработка (ЭМО) [1]. ЭМО является особым способом контактной обработки поверхностей высококонцентрированным источником электрической энергии, объединяющим в единой технологической схеме силовое и термическое воздействие инструмента на деталь, что позволяет формировать уникальные свойства поверхностного слоя деталей. Основными особенностями различных видов ЭМО является: наличие нескольких источников теплоты, основные из которых электрический ток и трение, локальный нагрев зоны обработки сопровождается действием значительных давлений, термический цикл обработки кратковременен, достаточно высокая скорость охлаждения, а также влияние других технологических факторов.

В настоящее время разработано большое количество разновидностей электромеханической обработки, представляющие собой комбинацию различных высокоэнергетических воздействий на поверхность обрабатываемой детали, комбинация потоков энергии и вещества в процессе обработки обеспечивает условия, ведущие к стабилизации неравновесных процессов, основой которых является поверхностное пластическое деформирование в условиях трения скольжения при одновременном пропускании электрического тока через зону контакта детали и инструмента. Достаточно полной классификации разновидностей электромеханической обработки, комбинированных методов обработки в основе которых лежит ЭМО не существует, что создает определенные трудности при разработке технологических процессов изготовления деталей с поверхностным упрочнением, в распределении методов обработки по точности формирования поверхности в зависимости от мощности источников воздействия, в создании поверхностных слоев с определенными, наперед заданными или закономерно-изменяющимися, параметрами качества поверхностного слоя.

Рис. 1. Классификация методов электромеханической обработки (ЭМО) и комбинированных методов обработки на основе ЭМО

В соответствии с [1] процесс ЭМО имеет следующие разновидности: электромеханическое сглаживание (ЭМС) или упрочнение (ЭМУ) и электромеханическую высадку металла (ЭМВ). Высадка является основной операцией электромеханического способа восстановления деталей. Бесспорно, на сегодняшний день такая классификация не позволяет достаточно полно раскрыть всё разнообразие электромеханического метода обработки. В работе [3] выделены: отделочно-упрочняющая ЭМО; электромеханическая поверхностная закалка; электромеханическое дорнование и электромеханическое восстановление. В последние годы появились новые разновидности ЭМО, включающие электромеханическую обработку как основу, а также другие виды высокоэнергетического воздействия или комплексное сочетание двух-трех методов поверхностной обработки, завершающим этапом которой является ЭМО — окончательно формирующая заданные параметры качества поверхностного слоя детали. Это такие комбинированные методы обработки на основе ЭМО, представленные на рис. 1, как комплексные технологии упрочнения энергией взрыва с последующей ЭМО (УВ + ЭМО), магнитно-импульсной обработкой с последующей ЭМО (МИ + ЭМО), лазерная обработка с последующей ЭМО (ЛО + ЭМО), объемная термическая обработка с последующей ЭМО (ТО + ЭМО) [1]. Обработка с нанесением различными способами покрытий на поверхность детали с последующей ЭМО [2]. Модифицирование поверхностного слоя детали различными методами, легирование определенными химическими элементами поверхностного слоя с последующей ЭМО: электроискровое легирование с последующей ЭМО (ЭИЛ + ЭМО), химико-термическая обработка с последующей ЭМО (ХТО + ЭМО), ионная имплантация поверхности с последующей ЭМО (ИИ + ЭМО), комбинированная обработка сочетающая электромеханическое воздействие с воздействие акустических волн (ЭМАО), с воздействием ультразвуковых волн (ЭМУзО), с воздействием импульсных ударных нагрузок (ЭМИО), с трибоэлектрохимическим воздействием (ТЭХО) и другие. Одна из разновидностей ЭМО фрикционно-электрическая обработка (ФЭО) или трибоэлектрическая обработка (ТЭО) [3], отличается от ЭМО первостепенной ролью в процессе воздействия на обрабатываемую поверхность сил трения, образующих основной источник тепла в зоне фрикционно-электрического контакта за счет фрикционного воздействия (т.е. обработка производится с достаточно малыми значениями силы тока, значительным деформационным воздействием и большими скоростями обработки).

Классификация электромеханических методов обработки и комбинированных методов обработки на основе ЭМО может осуществляться по ряду признаков (рис. 2), характерных для всех комбинированных методов обработки [2].

Классификация по первому признаку основывается на использовании известных видов энергии: механической, электрической, лучевой, энергии химических реакций, термической, магнитного поля, акустического поля, энергии взрыва, а также путем комбинированного их воздействия (двух и более видов энергии) на материал поверхностного слоя обрабатываемой заготовки.

Рис. 2. Классификация комбинированных методов электромеханического упрочнения (ЭМУ)

По сути ЭМО уже является комбинацией двух видов энергии — электрической и механической, что следует даже из названия метода обработки, однако созданные в последние годы разновидности ЭМО используют в процессе обработки кроме перечисленных основных видов энергии, комбинации других. Так фрикционноэлектрическое модифицирование (ФЭМ) [4] предусматривает одновременно протекание химических процессов при электромеханическом воздействии на материал поверхности детали, в присутствии поверхностноактивных модификаторов — мелкодисперсных твердых смазок в смеси с ПАВ. ФЭМ предусматривает одновременное воздействие на обрабатываемый материал нагрева в присутствии окружающей среды специального состава с целью обеспечения насыщения поверхностного слоя детали соответствующими элементами на определенную глубину, без удаления продуктов деструкции с обрабатываемой поверхности, для повышения триботехнических характеристик пар трения, особенно на этапе приработки.

Фрикционно-электрическое модифицирование предусматривающее обработку поверхностей деталей с поверхностноактивным модификатором, который является смесью мелкодисперсных ферромагнитных порошков, в магнитном поле представляет собой новый метод обработки, использующий кроме основных факторов электромеханической обработки, энергию магнитного поля — фрикционноэлектрическое модифицирование в магнитном поле (ФЭММП).

Электромеханоакустическая обработка (ЭМАО) предусматривает одновременное электромеханическое деформирование обрабатываемого материала и воздействие акустических волн на его структуру. При электромеханоакустической обработке имеет место использование соответственно звуковых волн для изменения состояния структуры обрабатываемого материала и его деформирования в этом состоянии. Аналогичны вышеописанным комбинированным методам обработки электромеханоультразвуковая обработка (ЭМУзО) использующая ультразвуковые колебания, электромеханоимпульсная обработка (ЭМИО) и электромеханоударная (ЭМУО) использующиеударную энергию, в том числе передаваемую через волновод, причем геометрические параметры волновода способны повысить эффективность обработки например за счет пролонгации ударно-деформационного воздействия на обрабатываемую поверхность.

Второй признак — способ подвода энергии в зону обработки делит электромеханические методы обработки на подклассы методов последовательного и параллельного энергетического воздействия.

К первым относится, например, классическая электромеханическая обработка, т.е. механическая обработка инструментом определенной геометрии с подводом в зону обработки электрического тока большой силы и малого напряжения, аналогична ФЭО.

Ко вторым относится разновидности комбинированной обработки с предварительнымвоздействием на поверхностныйслой материала заготовки, например электроискровым легированием, лазерной обработкой или другим методом, с последующей электромеханической обработкой. Комбинация нескольких видов высокоэнергетического воздействия приводит к созданию поверхностного слоя обладающего заданными служебными характеристиками.

Третий признак — количественное соотношение совмещаемых процессов определяет степень взаимодействия различных видов физико-химического воздействия. По этому признаку ЭМО можно разделить на две группы.

Первая группа — методы с преимущественным влиянием одного воздействия (например, механического или теплового, фрикционного, химического и т. д.). Дополнительное воздействие, например, тепловое (при преимущественном механическом), снижая механические характеристики материала поверхностного слоя, повышает эффективность механического воздействия, качественно не изменяя природы процесса механической обработки. Для электромеханической обработки этого типа различают базовые и дополнительные энергетические воздействия.

Вторая группа — методы, у которых нельзя разделить физикохимические воздействия на основные и дополнительные. В этом случае процесс обработки может быть описан специфическими закономерностями.

Приведенная выше классификация методов электромеханического упрочнения и комбинированных методов обработки на основе ЭМО позволяет, на основе системного анализа, наметить пути повышения эффективности процессов формирования поверхностей комбинированной электромеханической обработкой, с заданной точностью, качеством и эксплуатационными свойствами.

4.7. Комбинированные методы обработки

В принципе комбинированные методы обработки изделий из различных материалов сочетают в себе преимущества электрофизических и электрохимических методов. Вместе с тем, выделить эту группу методов как самостоятельную практически невозможно. Например, рассмотренные выше анодно-механические и анодно-гидравлические методы можно также отнести к комбинированным методам обработки. Видимо, в этой группе методов обработки материалов следует ориентироваться в большей степени с позиции решения конкретных технологических задач. Именно с этой позиции ЭНИМСом была предложена классификация комбинированных методов обработки материалов. К комбинированным методам обработки отнесены: абразивно-электрохимическая, абразивно-электроэрозионная, ультразвуковая-электрохимическая, электроэрозионно-химическая, анодно-механическая и плазмо-механическая обработка. Этот класс процессов непрерывно расширяется. Некоторые из них рассмотрены ниже.

Абразивно-электрохимическая обработка по принципу обработки близка к анодно-механическому способу обработки металлов, который состоит из совмещения процессов микрорезания и анодного растворения.

Анодное растворение металла уменьшает толщину срезаемых микростружек и сокращает зону механического контакта круга-инструмента и заготовки. Электрохимические процессы, кроме того, снижают сопротивление металла резанию за счет адсорбированного уменьшения прочности поверхностных микрослоев.

В процессе происходят и электроэрозионные явления. При вращении круга-инструмента вследствие образования и разрыва контактов в рабочей зоне возникают электрические разряды между его металлической связкой и обрабатываемой заготовкой. Образованию таких разрядов способствует стружка, получаемая при резании.

Электроэрозионные процессы в сочетании с абразивно-электрохимической обработкой способствуют разрушению наиболее выступающих элементов микрорельефа связки круга. При этом происходят вскрытие новых рабочих зерен (происходит самозатачивание шлифовального круга), сжигание стружки, снижается трение, удаляются пассивирующие пленки с поверхности заготовки и инструмента. Происходит снижение сил резания и температуры в рабочей зоне в два-четыре раза.

По сравнению с традиционными методами шлифования абразивно-электрохимическая обработка более производительна. В среднем повышение производительности при шлифовании твердых сплавов, жаропрочных и коррозийно-стойких сталей повышается в два-три раза.

Высота микронеровностей обработанной поверхности после абразивно-электрохимической обработки составляет Ra = = 0,32…0,63 мкм, а при использовании мелкозернистых кругов – Ra = 0,16 мкм.

Процесс осуществляют при напряжении U_p = 5…10 В (при обработке с автономным электродом U_p = 24 В) и плотности тока 15…150 А/см 2 .

В качестве рабочей среды используют нитрат-нитритные растворы, содержащие для уменьшения коррозийной активности различные пассивирующие добавки (соду, глицерин, триэтаноламин и т.п.).

Абразивно-электрохимическая обработка применяется при плоском торцовом шлифовании деталей из твердых, магнитных, жаропрочных сталей и сплавов; плоском и круглом шлифовании тонкостенных, нежестких деталей; профильном шлифовании; шлифовании вязких материалов без образования заусенцев и т.п.

Абразивно-электроэрозионная обработка осуществляет микрорезание в условиях непрерывного ЭЭ воздействия на рабочую поверхность круга-инструмента. Электрические разряды, генерируемые либо непосредственно между заготовкой и инструментом, либо между инструментом и специальным дополнительным электродом, обеспечивают вскрытие новых рабочих абразивных зерен, удаление стружки с поверхности инструмента и разрушение ее в объеме рабочей жидкости.

Отличие этого вида обработки от абразивно-электрохимического состоит в упорядоченном характере процесса. Процесс можно регулировать в достаточно широких пределах, что обеспечивает значительное повышение и стабильность во времени режущей способности инструмента, повышение в десятки раз периода его стойкости, снижение затрат мощности на трение.

В качестве рабочей жидкости применяется обычная смазочно-охлаждающая техническая среда (СОТС) или 3%-ный раствор соды. Абразивный токопроводящий круг подключается к положительному, а деталь – к отрицательному полюсу источника импульсного напряжения.

Основным преимуществом этого вида обработки от абразивно-электрохимического является отсутствие коррозии оборудования и газовыделение в рабочей зоне; весь металл снимается в виде стружки, что существенно упрощает его утилизацию и очистку рабочей жидкости. По производительности оба процесса практически не отличаются, однако износ алмазов в случае использования абразивно-электроэрозионной обработки на 20…30% выше.

Наиболее целесообразно абразивно-электроэрозионную обработку применять при заточке режущего инструмента (особенно твердосплавного, совместно со стальной державкой), плоском шлифовании периферией круга (твердосплавных штампов совместно со стальной оправкой и постоянных магнитов), наружном и внутреннем шлифовании изделий из твердых сплавов.

Ультразвуковая электрохимическая обработка. При этом процессе вместо взвеси абразива в воде в зону обработки, выполняемой по схеме, представленной на рис. 2.6, подается под избыточным давлением 0,2…0,5 МПа абразивонесущий электролит, содержащий обычно 65% воды, 15% азотнокислотного натрия NaNO₃ и 1% азотистокислого натрия NaNO₂. Через промежуток между инструментом и обрабатываемой деталью пропускается ток плотностью до 25 А/см 2 , напряжением 4…15 В, причем плюс источника питания присоединяется к обрабатываемой детали, а минус – к инструменту.

Погрешность обработки зависит от плотности тока и составляет от ± 0,06 до ± 0,1 мм. Производительность обработки твердых сплавов – до 350…400 м 3 /мин, при этом износ инструмента равен 5,5…6%.

Плазменно-механическая обработка – обработка резанием с плазменным прогревом срезаемого слоя с целью его разупрочнения. Применяется при черновой обработке труднообрабатываемых материалов на токарных, токарно-карусельных, строгальных станках. Позволяет повысить производительность обработки в 1,5…10 раз (в зависимости от материала), а стойкость режущего инструмента в два-пять раз. В качестве плазмообразующего газа используются воздух, аргон, азот, смесь аргона с азотом. Мощность используемых установок для плазменной резки до 100…120 кВт.

Рис. 9.10. Схема процесса обработки алмазным проволочным инструментом: 1 – скоба; 2 – пневмошпиндель; 3 – сопло для подачи СОЖ; 4 – обрабатываемая заготовка; 5 – алмазный проволочный инструмент; X, Y – координаты

Обработка алмазным проволочным инструментом используется для изготовления сложно контурных деталей с цилиндрической образующей из хрупких материалов (рис. 9.10). Натянутый алмазный проволочный инструмент 5 на скобе 1 приводится во вращение от пневматического шпинделя 2 вокруг вертикальной и осциллирует вдоль оси. Управление перемещениями инструмента по координатам X и Y относительно заготовки 4 осуществляется либо от системы ЧПУ, либо по копиру. Через сопло 3 подается СОТС в рабочую зону.

Рассматриваемая схема обработки характеризуется малыми (десятками грамм) силовыми воздействиями, что позволяет получать очень тонкие элементы контура.

Способ применяется: при вырезки деталей из поликора, кварцевого стекла, феррита, а такжн мозаичных изделий из ювелирных камней; при вырезке графитовых электродов-инструментов для копировально-прошивочных ЭЭ станков.

Величина микронеровностей обработанной поверхности Ra = 1,25 мкм. Погрешность обработки 0,01…0,03 мм (в зависимости от размеров обрабатываемого контура). Диаметр алмазного проволочного инструмента 0,3…0,8 мм.

Электрогидравлическая обработка (штамповка), схема которой показана на рис. 9.11, основана на использовании энергии гидравлического удара при мощном электрическом (искровом) разряде 1 в жидком диэлектрике 5. При этом необходимо вакуумирование полости 3 между заготовкой 2 и матрицей 4, поскольку из-за огромных скоростей движения заготовки 2 к матрице 4 воздух не успевает уйти из полости и препятствует плотному прилеганию заготовки к матрице.

Рис. 9.11. Схема установки для электрогидравлической штамповки: 1 – электроды; 2 – заготовка; 3 – вакуумная полость матрицы; 4 – матрица; 5 – рабочая жидкость

Метод прост, надежен, но обладает небольшим КПД, требует высоких электрических напряжений и не всегда дает воспроизводимые результаты.