Электромеханическая обработка

Электромеханическая обработка

Общие сведения. Электромеханическую обработку применяют для восстановления валов и осей с небольшими износами, а также как заключительную операцию при обработке деталей. Схема этого способа показана на рисунке 1. К детали, установленной в патроне токарного станка и поддерживаемой центром задней бабки, через электроконтактное приспособление подводят один провод от вторичной обмотки трансформатора; другой провод подводят к инструменту, изолированно установленному (укрепленному) в резцедержателе суппорта станка. В зону контакта детали и инструмента подводят ток 350… 1300 А напряжением 2…6 В. Регулируют ток реостатом. Ток низкого напряжения и большой силы мгновенно нагревает металл в зоне контакта до высокой температуры (800…900 °С); в результате улучшается качество обработки, а последующий быстрый отвод теплоты внутрь детали способствует закалке поверхностного слоя. Этим способом можно получить шероховатость поверхности порядка 9-го класса (как при шлифовании) и одновременно значительно улучшить механические свойства поверхностного слоя обрабатываемой детали за счет его закалки на глубину до 0,1 мм.

Восстановление деталей электромеханической обработкой показано на рисунке 2. Изношенную поверхность вала или оси сначала обрабатывают высаживающим инструментом. Нагретый в зоне контакта металл выдавливается, образуя выступы, аналогичные резьбе. В результате диаметр детали D2 увеличивается до размера D. Вторым проходом сглаживающего инструмента высаженную поверхность обрабатывают до необходимого размера. Режим обработки: ток 400…600 А, напряжение 2…6 В.

Этим способом восстанавливают преимущественно поверхности валов неподвижных соединений (посадочные места под подшипники, шестерни, шкивы и др.) с износами не более 0,25 мм.” Восстановленная поверхность получается прерывистой, и площадь контакта уменьшается. Если площадь контакта остается более 60% первоначальной сплошной, то прочность сопряжения с гладкой поверх—ностью втулки (кольца подшипника) оказывается вполне достаточной благодаря более высокой твердости, полученной при обработке, и «шпоночному эффекту», возникающему за счет упругих деформаций сопрягаемых поверхностей.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Введение дополнительного металла позволяет восстанавливать электромеханической обработкой детали с износом более 0,25 мм. В высаженную винтовую канавку роликовым инструментом навивают стальную проволоку, предварительно очистив ее от грязи и оксидов шлифовальной шкуркой. Режим навивки проволоки: ток 300… 1500 А, напряжение 4…6 В и окружная скорость детали 8…1,9 м/мин. Проволока нагревается до температуры 1000… 1200 °С, а под давлением ролика 400…500 Н деформируется и плотно заполняет высаженную канавку. Прочность сцепления проволоки с основным металлом достигается вследствие частичной сварки, диффузионных и других связей. При использовании проволоки диаметром 1,4 мм изношенную поверхность можно увеличить на толщину до 1,2 мм. После навивки применяют обычную механическую обработку до необходимого размера детали.

Рис. 1. Схема электромеханической обработки:
1 — рубильник; 2 — реостат; 3 — провод вторичной обмотки; 4 — патрон станка; 5 — деталь; 6 — задняя бабка станка; 7 — инструмент.

Вводить дополнительный материал при электромеханической обработке можно и несколько иным способом. В высаженную канавку навивают тонкую проволоку диаметром около 0,5 мм и затем выполняют обычное сглаживание в несколько проходов (4…6) на таком режиме: ток 350…500 А, напряжение 3,5…4,0 В, давление инструмента 300…500 Н при подаче 0,2…0,3 мм/об.

Вместо проволоки высаженные канавки можно заполнить клеями типа БФ или составами на основе эпоксидных смол. После отвердевания нанесенных составов поверхность доводят до необходимого размера обычной механической обработкой.

Преимущества электромеханической обработки — высокая производительность, возможность увеличения диаметра малоизношенных деталей без дополнительного материала, отсутствие коробления деталей, низкая себестоимость восстановления.

Основные недостатки — трудность получения в процессе обработки сплошного контакта инструмента с поверхностью, недостаточная стойкость высаживающих и сглаживающих пластин, быстрая утомляемость оператора. В процессе работы ему необходимо строго соблюдать очередность включения вращения детали и тока. Нельзя выводить инструмент из контакта с деталью или вводить в контакт при включенном токе, так как малейшее нарушение контакта при большом токе вызывает образование дуги, а следовательно, поломку инструмента и иногда детали.

Рис. 2. Схема восстановления детали электромеханической обработкой:
1 — деталь; 2 — высаживающий инструмент; 3 — сглаживающий инструмент.

В большой степени все эти недостатки можно устранить инструментом усовершенствованной конструкции, предложенным Н. Н. Черниговцевым. Вместо очень жесткой пружины с малым рабочим ходом применяют конструкцию державки с менее жесткой пружиной и с большим рабочим ходом — перемещением головки державки относительно ее корпуса. Такая пружина и контакты надежно автоматизируют включение тока в цепь после соприкосновения пластины с обрабатываемой поверхностью детали и выключение тока до нарушения контакта при отводе пластины от детали. Подобная конструкция державки значительно упрощает процесс электромеханической обработки и повышает производительность.

Электромеханическая обработка

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.

Читайте также:  Что надо знать о Mazda MX 5

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.

Электрофизические способы восстановления деталей

Восстановление деталей электроконтактной приваркой стальной ленты

Сущность процесса восстановления заключается в приварке мощными импульсами тока к поверхности детали стальной ленты. В сварочной точке, полученной от действия импульса тока, происходит расплавление ленты и поверхности детали. Металл ленты расплавляется не по всей толщине, а лишь в тонком поверхностном слое в месте контакта с деталью. Ленту приваривают по всей изношенной поверхности перекрывающимися точками, которые располагаются по винтовой линии. Перекрытие точек как вдоль рядов, так и между рядами достигается вращением детали со скоростью, пропорциональной частоте импульсов, и продольным перемещением сварочных клещей. С целью уменьшения нагрева детали и закалки слоя в зону сварки подают охлаждающую жидкость.

Твердость наплавленного слоя зависит от содержания углерода в материале ленты. Особенно высокую твердость обеспечивают хромистые и марганцовистые ленты.

Способ эффективен при восстановлении стальных и чугунных деталей с малыми износами (в пределах 0,3-0,5 мм и менее). Востанавливают этим способом посадочные места под подшипники и другие цилиндрические поверхности на валах, в стаканах подшипников и т. д.

Сначала проводят предварительную механическую обработку для удаления следов износа и обеспечения правильной формы изношенной поверхности. Затем из ленты, ширина которой соответствует ширине восстанавливаемого участка, отрезают заготовку. При установке на подготовленный участок вала зазор в стыке не должен превышать 0,3 мм. Оба конца заготовки в стыке предварительно приваривают к детали. Толщина ленты принимается с учетом диаметра подготовленного участка детали и припуска на окончательную обработку (0,2-0,3 мм). После предварительного закрепления ленту приваривают на установке. Амплитуда импульсов сварочного тока — 14-16 кА, длительность импульса — 0,008- 0,009 с. Усилие прижатия ролика — 1,3-1,6 кН. При восстановлении валов применяют установку ОКС-011-1-10, цилиндрических поверхностей корпусных деталей — ОКС-11-1-11.

Недостатком способа является ограниченная толщина наносимого слоя и сложность оборудования.

Разновидностью электроконтактной приварки является приварка проволоки при восстановлении резьбовых участков валов, которую укладывают во впадины резьбы.

Восстановление деталей электроконтактным напеканием порошков

Способ напекания порошков сочетает в себе ряд процессов, протекающих одновременно: прессование и спекание металлического порошка, припекание его к поверхности детали под действием давления и температуры. Сущность способа заключается в том, что между вращающейся деталью, установленной в шпинделе токарного станка, и медным роликом-электродом подают присадочный порошок. Ролик при помощи пневмо- или гидроцилиндра прижимается к детали с усилием 0,75-1,2 кН.

Рис. Схема электроконтактного напекания металлических порошков:
1 — силовой цилиндр; 2 — ролик; 3 — бункер с порошком; 4 — деталь; 5 — трансформатор; 6 — нанесенный слой; 7 — прижимное усилие.

При проворачивании детали и ролика и в результате большого электрического сопротивления в месте их контакта порошок нагревается до 1000-1300°С. Нагретые частицы порошка спекаются между собой и с поверхностью детали. Для напекания порошка применяют большую силу тока (2600-3000 А на 1 см ширины ролика) и низкое напряжение (0,7-1,2 В).

Физическая сущность процесса заключается в том, что напекаемый слой не нагревается до температуры плавления. Спекание частиц порошка в слой и припекание слоя происходят за счет диффузионных процессов и сплавления частиц порошка в отдельных контактирующих точках их поверхности. Эта особенность процесса приводит к тому, что покрытие получается пористым. Заполненные маслом поры способствуют образованию устойчивой масляной пленки при работе сопряжения.

Качество слоя во многом зависит от размеров детали и ролика, давления, создаваемого роликом, химического состава порошка и частоты вращения детали. При диаметрах восстанавливаемых деталей 30-100 мм напеканием можно получить слой толщиной от 0,3 до 1,5 мм.

Преимущества процесса — высокая производительность, малая глубина теплового воздействия и высокая износостойкость слоя. К его недостаткам можно отнести ограниченность толщины напекаемого слоя и сложность оборудования.

Восстановление деталей электромеханической обработкой

Электромеханический способ восстановления деталей основан на сочетании термического и силового воздействия на поверхностный слой. Его применяют для восстановления валов и осей с небольшим износом, а также как заключительную операцию при обработке деталей. Процесс заключается в следующем. Деталь, установленную в патроне токарного станка, через контактное устройство на шпинделе подсоединяют к одной из клемм вторичной обмотки трансформатора; ко второй клемме подсоединяют инструмент, изолированно установленный в резцедержателе суппорта станка. В зону контакта детали и инструмента подают ток 350—1300 А при напряжении 2-6 В. Ток большой силы и низкого напряжения мгновенно нагревает металл в зоне контакта до высокой температуры (800-900’С). Быстрый отвод теплоты внутрь детали способствует закалке поверхностного слоя. Этим способом можно получить шероховатость поверхности Ra 0,16 и исключить операцию шлифования. Одновременно улучшаются механические свойства поверхностного слоя детали за счет его закалки на глубину 0,1 мм.

Рис. Схема высадки и сглаживания металла:
1 — деталь; 2 — высаживающий инструмент; 3 — сглаживающий инструмент, D0 — диаметр после сглаживания; D1 — диаметр после высадки; D2 — начальный диаметр.

При восстановлении изношенных осей и валов изношенную поверхность сначала обрабатывают высаживающим инструментом 2. Нагретый в зоне контакта металл выдавливается, образуя выступы, аналогичные резьбе. В результате диаметр детали увеличивается до диаметра D1. Вторым проходом сглаживающего инструмента 3 высаженную поверхность обрабатывают до необходимого размера D2.

Этим способом восстанавливают преимущественно поверхности валов неподвижных соединений (посадочные места под подшипники, шестерни, шкивы и т.д.) с износом не более 0,25 мм.

Введение дополнительного материала позволяет восстанавливать электромеханической обработкой детали с износом более 0,25 мм. В высаженную винтовую канавку навивают стальную проволоку, предварительно очистив ее, и приваривают роликовым инструментом.

Преимущества электромеханической обработки — высокая производительность, отсутствие коробления, низкая себестоимость. Основной недостаток — трудность получения в процессе обработки сплошного контакта инструмента с поверхностью, недостаточная стойкость высаживающих и сглаживающих пластин.

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра «Сопротивление материалов»

Технология электромеханической обработки материалов

Сущность технологии

Электромеханическая обработка (ЭМО) — высокоэффективная технология поверхностного упрочнения концентрированными потоками энергии, основанная на комплексном термодеформационном воздействии при пропускании электрического тока большой плотности и низкого напряжения через зону контакта детали и деформирующего электрода-инструмента (ролика или пластины), движущихся во взаимноперпендикулярных направлениях со скоростью V и подачей S.

Схема и технологический комплекс электромеханической обработки

При этом, в результате выделения большого количества джоулева тепла, происходит высокоскоростной (106°С/с) нагрев локального микрообъема поверхности с одновременным его пластическим деформированием и последующее интенсивное охлаждение (105°С/с) за счет отвода тепла в глубь металла. В результате мощного теплового «удара» на поверхности материала формируется упрочненный «белый слой» — уникальная мартенситная структура (гарденит, наноструктурный мартенсит), обладающая высокой прочностью и износостойкостью.

Металлографическая структура белого слоя (электронная, растровая и оптическая микроскопия)

Назначение

Основным назначением ЭМО является обработка поверхностей металлических изделий с целью повышения их эксплуатационных свойств — износостойкости, усталостной прочности, коррозионной стойкости и др., например: повышение износостойкости подвижных сопряжений в в зависимости от условий трения и износа; повышение усталостной прочности на и долговечности (более чем на порядок) деталей, работающих при циклических нагрузках; повышение контактной выносливости (например, для стали ШХ15 в раза по сравнению с нитроцементацией).

Области применения

  • упрочнение на глубину до 0,2 мм наружных и внутренних поверхностей цилиндрических и плоских стальных деталей с повышением микротвердости поверхности до 4 раз и одновременным снижением шероховатости на
  • упрочнение поверхностного слоя деталей на глубину с последующей отделкой поверхности шлифованием или обкаткой;
  • упрочнение зубчатых колес, шлицевых валов, гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, поршневых колец, резьбы ходовых винтов, шеек крупногабаритных валов;
  • электромеханическое восстановление размеров обрабатываемой поверхности за счет горячей пластической высадки некоторого объема металла из зоны обработки;
  • импульсное электромеханическое упрочнение, обеспечивающее формирование регулярных структур поверхностного слоя с распределением прочностных и пластических свойств по локальным объемам поверхности в соответствии с конкретными условиями эксплуатации;
  • комбинированная обработка концентраторов напряжений, включающая электромеханический отпуск и последующее поверхностное деформирование (ППД);
  • формирование режущих кромок лезвийного инструмента с применением глубокого упрочнения ЭМО изделий с ограниченным теплоотводом;
  • обработка плазменных покрытий с формированием аморфной и наноструктуры упрочняющих частиц и повышения адгезионной и когезионной прочности покрытия до уровня монолитных материалов.

Основные преимущества

  • экологическая чистота и электробезопасность процессов обработки, отсутствие излучений (в том числе, и вторичного рентгеновского излучения) и выделения вредных веществ;
  • отсутствие необходимости в применении флюсов, поглощающих покрытий, защитных газов, вакуума, электролитов и других специальных расходных материалов;
  • отсутствие окисления и обезуглероживания обрабатываемой поверхности, связанное с тем, что процесс упрочнения протекает в закрытой зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью;
  • высокое качество (низкая шероховатость) упрочненной поверхности;
  • обработка изделий различной конфигурации и типоразмера с получением необходимого качества, возможность обработки пустотелых, длинных нежестких деталей без коробления (ввиду того, что зона высокотемпературного нагрева локализована в точке контакта инструмента с поверхностью), а также крупногабаритных деталей;
  • «индивидуальный подход» к обработке каждой конкретной поверхности с учетом условий эксплуатации и схемы нагружения, возможность обработки поверхности с формированием заданного распределения физико-механических свойств по ее локальным объемам, а также создание регулярных дискретных структур и регулярных микрорельефов поверхности;
  • обработка ограниченных участков без воздействия на соседние, использование для местного нагрева под последующую обработку;
  • возможность гибкого и быстрого изменения режимов и схемы обработки, а также смены инструмента, незначительные затраты на изготовление, обслуживание и эксплуатацию оборудования;
  • возможность использования в качестве заключительного (отделочно-упрочняющего) перехода механической обработки, решающего в то же время задачи специальных операций (термообработки и отделки).
Читайте также:  Шумоизоляция в автомобилях Дэу Нексия (Daewoo Nexia), Дэу Ланос (Daewoo Lanos), Дэу Матиз (Daewoo Matiz).

Апробация и внедрение

ОАО «Волгоградский тракторный завод», ОАО «Красный октябрь», ТМКБ «Союз» (Москва), ГУП «Атоммаш» (Волгодонск), Волгоградский завод тракторных деталей и нормалей, Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Электромеханическая обработка

Таким образом, более высокая эффективность упрочнения электромеханической обработкой достигается у сталей с большим содержанием углерода. [46]

Одним из наиболее эффективных методов поверхностного упрочнения деталей является электромеханическая обработка . [47]

Примерные режимы электромеханической обработки углеродистых сталей приведены в табл. 19.1. Электромеханическая обработка применяется для восстановления неподвижных посадок, подвижных сопряжений, затачивания инструмента, упрочнения изношенных поверхностей деталей. [48]

В условиях серийного производства и ремонта деталей основной задачей совершенствования методов электромеханической обработки должно явиться повышение производительности процесса и обеспечение высокого качества обрабатываемых деталей за счет применения многоинструментальных приспособлений, автоматизации технологического процесса ЭМО, развития САПР ЭМО в целях обеспечения и повышения эксплуатационных свойств деталей машин путем обоснованного выбора метода и режимов обработки. [49]

Восстанавливают посадочные места валов и осей гальваническим хромированием, осталиванием и электромеханической обработкой . При больших величинах износа используют вибродуговую наплавку. [50]

Упрочнение сверл диаметром 20 мм, изготовленных из стали Р9, при электромеханической обработке производится при режиме: Р900 Н; / 7 6 В; 010 2 м / мин; 5 0 2 мм / об и предельном значении силы тока / 1000 А. Превышение предельной силы тока сопровождается выделением такого количества теплоты, которое не успевает отводиться в тело детали, так как быстрорежущие и подобные им высоколегированные стали обладают малой теплопроводностью. При этом происходит отпуск закаленной стали и снижение характеристик упрочняемого инструмента. [51]

К наиболее эффективным барьерным технологическим операциям, основанным на принципе деформационного упрочнения, относятся электромеханическая обработка , поверхностно-пластическое деформирование, алмазное выглаживание. [52]

Повышение износостойкости деталей машин, работающих в условиях трения скольжения, возможно также за счет электромеханической обработки при протекании электрического тока по импульсной схеме, благодаря чему на упрочняемой поверхности формируется специфическая текстура, представляющая собой чередование упрочненных и неупрочненных участков. Упрочнение проводилось на режимах: / 875 А / мм2; д 18 Н / мм2; v 3 м / мин; ( л 0 8 с; tn О 1 с ( длительность пауз тока) при очередном варьировании значения каждого режима обработки. [53]

На рис. 19 – 22 представлены инструменты с державками и приспособления, применяемые для различных методов электромеханической обработки деталей . [54]

Исследование поверхностного слоя зубьев зубчатых колес на металлографическом и электронном микроскопе позволило установить, что поверхностный слой зубьев после электромеханической обработки представляет собой мелкодисперсную и равномерную мартенситную структуру. [55]

Посадочные места под подшипники с небольшими износами, а также трубчатые валы типа первичного вала коробки передач трактора ДТ-75М восстанавливают электромеханической обработкой с применением дополнительного материала или без него и наплавкой порошками твердых сплавов при помощи плазменной струи. [56]

Шероховатость поверхности, необходимая, как будет показано в дальнейшем, для деталей с высокой поверхностной твердостью, может быть достигнута обдувкой дробью, стальной крошкой, электроискровой или электромеханической обработкой , анодно-механи-ческим шлифованием. Дли деталей же с поверхностной твердостью до НВ 300 – 350 шероховатость поверхности наносится накаткой, нарезанием рваной резьбы или указанными выше способами. Из всех указанных способов наиболее целесообразными являются обдувка дробью или стальной крошкой, накатка. Все же способы нарезки, электроискровой, анодно-механической и электромеханической обработки снижают усталостную прочность деталей, работающих при знакопеременных нагрузках. [57]

По первому маршруту восстанавливают наплавкой с последующей механической и термической ( при необходимости) обработкой детали со значительным износом; по второму маршруту – детали, для которых целесообразно применение электроконтактной приварки ленты или проволоки; по третьему – детали, для которых технически возможно применение электромеханической обработки . При этом поверхности деталей со значительным износом ( резьбы, шпоночные пазы) при восстановлении их по второму и третьему маршрутам восстанавливают наплавкой. [58]

Электроискровая обработка металла как самостоятельный способ восстановления размеров деталей не нашла применения, но может использоваться для упрочнения режущего инструмента и выполнения ряда вспомогательных работ, например, для удаления заломанного инструмента. Электромеханическая обработка получает достаточно широкое распространение для упрочнения деталей, восстанавливаемых наплавкой, и для подготовки деталей к металлизации. [59]

Упрочнению подвергают закаленный, окончательно обработанный инструмент или детали. Электромеханическую обработку режущих инструментов выполняют по задним поверхностям режущих зубьев. Сложнопрофильные инструменты, например, дол-бяки, фрезы червячные, резьбонарезные гребенки, резцы зубо-строгальные и др., обрабатывают по передней поверхности. Детали типа пуансонов, матриц, ножей упрочняют по образующим и торцовым ( передним и задним) поверхностям. [60]

Комбинированная электромеханическая обработка с динамическим силовым воздействием Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Эдигаров Вячеслав Робертович, Литау Евгений Викторович, Малый Вячеслав Витальевич

Рассмотрено влияние комбинированной электромеханической обработки с динамическим силовым воздействием на эксплуатационные свойства поверхностных слоев обрабатываемых деталей. Особенность влияния дополнительного ударного воздействия в процессе ЭМО на изменение механических свойств упрочненного слоя.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Эдигаров Вячеслав Робертович, Литау Евгений Викторович, Малый Вячеслав Витальевич

Combined electro mechanical treatment with dynamic force impact

The effect of combined treatment with electro-dynamic force influence on the performance properties of the surface layers of workpieces is studied. There is obtained peculiarity of the influence of additional impact in the EMO on the mechanical properties of the hardened layer.

Текст научной работы на тему «Комбинированная электромеханическая обработка с динамическим силовым воздействием»

В. Р. ЭДИГАРОВ Е. В. ЛИТАУ В. В. МАЛЫЙ

Омский автобронетанковый инженерный институт

КОМБИНИРОВАННАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА С ДИНАМИЧЕСКИМ СИЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ_

Рассмотрено влияние комбинированной электромеханической обработки с динамическим силовым воздействием на эксплуатационные свойства поверхностных слоев обрабатываемых деталей. Особенность влияния дополнительного ударного воздействия в процессе ЭМО на изменение механических свойств упрочненного слоя.

Ключевые слова: электромеханическая обработка, динамическое силовое воздействие, ударное нагружение, поверхностный слой.

В последние годы разработано большое количество различных технологических методов повышения износостойкости деталей узлов трения. Большинство методов являются, по сути, методами поверхностного упрочнения путем модифицирования структуры поверхностного слоя материала. 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, позволяющая наиболее полно реализовывать потенциал механических и эксплуатационных характеристик материала, благодаря формированию на его поверхностном слое уникальных структурно-фазовых состояний, обладает электромеханическая обработка (ЭМО) [1—5]. 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.

Для ЭМО характерно постоянное тепловое воздействие, основным источником которого является прохождение через место контакта поверхности и рабочего инструмента электрического тока большой силы (до 1500 А) и малого напряжения (3 — 6 В), статическое приложение деформационного усилия, что создает суммарное постоянное по величине термодеформационное воздействие на зону обработки.

Исследования поверхностного пластического деформирования как одного из прогрессивных видов обработки показывает, что комбинированное статическое и динамическое нагружение зоны деформации значительно повышает эффективность обработки, позволяет регулировать равномерность упрочнения поверхности, формировать упрочненный поверхностный слой со стабильными характеристиками. Создание дополнительного деформирующего воздействия при производстве электромеханической обработки за счет динамической составляющей нагрузки, которая формируется в ударной системе и сообщается в зону деформации в виде, например, пролонгированного импульса позволяет увеличить глубину создаваемого упрочненного поверхностного слоя, его твердость, а также измельчить закалочные структуры в момент их формирования.

Упрочнение ЭМО при комбинированном статическом и динамическом нагружении создает дополнительные возможности при формировании упрочненной поверхности. Технология упрочнения при этом может включать следующие этапы: предварительное статическое и последующее периодическое импульсное нагружение инструмента в условиях постоянного или импульсного подвода электрического

С постоянным тепловым и импульсным деформационным воздействием С постоянным деформационным и импульсным тепловым воздействием

С постоянным тепловым и деформационным воздействием С импульсным тепловым и деформационным воздействием

С запаздыванием теплового импульса относительно деформационного С опережением теплового импульса относительно деформационного

Синхронные импульсы теплового и деформационного воздействия Варьированием числа (частоты) импульсов тепловых (деформационных)

С низкой энергией ударного импульса и преобладанием статического нагружения С высокой энергией удара

С использованием энергии волновых процессов С пролонгацией ударных импульсов

С различными способами подвода энергии в зону деформации С различными формами рабочего инструмента и волновода

С соосным или разнонаправленым приложением ударного импульса и статического нагружения С различными формами ударного импульса в пятне контакта

Читайте также:  Электроприводы, как шаг в будущее

Рис. 1. Схема различных сочетаний теплового и деформационного воздействий при ЭМО

Рис. 2. Схема комбинированной электромеханической обработки с динамическим (ударным) силовым воздействием [5]

тока в зону контакта, большой величины и низкого напряжения. При этом предварительное нагруже-ние создает основные условия для деформационного воздействия и способствует более полной передаче концентрированного потока энергии в виде импульса к обрабатываемой поверхности.

На рис. 1 представлена схема возможных сочетаний теплового и механического воздействий в ходе ЭМО, которые реализуются при использовании постоянного или переменного тока; статического или импульсного пластического деформирования; синхронного или асинхронного приложения ударных и электрических (тепловых) импульсов с запаздыванием или опережением рабочих импульсов относительно друг друга; варьированием числа (частоты) ударных импульсов за длительность одного электрического, с использованием волновых процессов, в т.ч. с пролонгацией ударного импульса и т.д.

Такие разновидности электромеханической обработки, как электромеханическая обработка с динамическим силовым воздействием (ЭМОсДСВ), с импульсными ударными нагрузками (ЭМИО) [2, 6], позволяют достичь наибольшей интенсивности температурно-силового воздействия на материал в процессе обработки. При ЭМО одновременно с пропусканием электрического тока через место контакта рабочего инструмента и обрабатываемой поверхности создаются ударные силовые импульсы, синхронные с импульсами электрического тока,

при этом длительность и частота этих импульсов равна электрическим импульсам. Такое изменение технологии традиционной электромеханической обработки со статическим действием контактной нагрузки позволяет существенно повысить скорость тепловых и деформационных процессов и создать условия для увеличения количества энергии динамического воздействия, затрачиваемого на пластическое деформирование поверхностного слоя, его пролонгации.

Особенности влияния дополнительного ударного воздействия в процессе ЭМО исследовались на цилиндрических деталях диаметром 50 мм изготовленных из стали марок 45 и 38ХС в нормализованном исходном состоянии, подвергнутых комбинированной электромеханической обработке с динамическим силовым воздействием (ЭМОсДСВ). Обработка проводилась в один проход. Выбор в качестве объекта исследования вышеуказанных сталей объясняется их широким использованием в машиностроении, и в частности в узлах многоцелевых гусеничных машин, к которым предъявляются высокие требования по надежности, прочности и износостойкости.

Для обработки была создана специальная установка, состоящая из токарно-винторезного станка модели ИТ-1М, источника постоянного тока типа ВАКГ-12/6-630-4, твердосплавного инструмента со сферической рабочей поверхностью, установленного соосно с генератором механических

импульсов (рис. 2). На установке обрабатывалась наружная цилиндрическая поверхность образца — 12, закрепленного на оправке.

Ударное (динамическое) нагружение осуществляли по схеме, показанной на рис. 2. В процессе обработки обеспечивалось синхронное включение тока с его плавным регулированием и установкой различных временных выдержек с помощью коммутирующей и управляющей аппаратуры. Плотность тока j варьировалась от 300 до 600 А/мм2. Длительность импульса электрического тока устанавливали равной длительности ударного импульса в диапазоне от 1 • 10

В процессе «классической» ЭМО со статическим нагружением инструмента наибольшая толщина упрочненного слоя (h

l—3 мм) достигается при плотности тока 1600 А/мм2 и более, причем дальнейшее увеличение плотности тока не приводит к закономерному пропорциональному увеличению h и, более того, ведет к снижению некоторых эксплуатационных характеристик поверхностного слоя, связанных, например, с образованием вторичной шероховатости поверхности.

Динамическое силовое воздействие в процессе ЭМО обеспечивает достижение более высоких значений h при значительно меньших плотностях тока. При этом необходимую силу ударного динамического нагружения инструмента можно вычислить по формуле, аналогичной известной зависимости С. Г. Хейфеца [6]:

где ст — динамический предел текучести материала упрочняемой детали.

В работе [3] экспериментально установлено, что и при статическом (Рст), и при ударном (Рдин) на-гружении глубина распространения пластической деформации под инструментом однозначно определяется глубиной восстановленного отпечатка, а скоростные зависимости предела текучести и пластической твердости (ГОСТ 18835-73) аналогичны.

Динамический предел текучести оТдин можно вычислить по статическому пределу текучести °т.сг и динамическому коэффициенту твердости [6]:

При этом динамический коэффициент твердости можно рассчитать по следующей формуле [4]:

_ ,-, „ 137vn Лид = О,5!1 – -НО

где у0 — начальная скорость соударения.

В процессе проведения экспериментальных исследований силу удара (Рдин) при ЭМО варьировали от 900 до 2500 Н в соответствии с результатами расчета по формуле (1).

Влияние ЭМОсДСВ на механические свойства оценивали по изменению микротвердости поверхности образца. Для получения данных о характере изменения механических свойств по глубине зондируемого слоя, делали срез поверхности образца, в последующем производили внедрение индентора прибора ПМТ-3 по схеме через равные расстояния. По диагоналям полученных отпечатков рассчитывали микротвердость на определенной глубине, по полученным значениям микротвердости строили зависимость микротвердости по глубине поверхностного слоя. Исследования микротвердости и металлографический анализ поверхностного слоя,

Рис. 3. Зависимость изменения микротвердости по глубине упрочненного поверхностного слоя для деталей, обработанных ЭМО и ЭМОсДСВ, для стали 38ХС при одинаковых значениях V, I

полученного при ЭМОсДСВ в один проход, показали, что импульсное энергетическое воздействие на обрабатываемую поверхность и связанные с этим тепловые эффекты приводят к неоднородности свойств в поверхностных и приповерхностных слоях исследуемых сталей.

На рис. 3 показано распределение микротвердости по толщине упрочненного поверхностного слоя. Установлено, что микротвердость Нц и толщина упрочненного слоя И в значительной степени зависят от режимов обработки — плотности тока ] и силы статического и динамического нагруже-ния (силы удара Р ). В приповерхностных объемах для стали 38ХС Нд= 6500. 7500 МПа, а значение И в некоторых случаях может достигать 0,3.0,8 мм, а при больших значениях плотности тока и до 1 мм.

Анализ микроструктуры сталей 45 и 38ХС после динамической электромеханической обработки с разными режимами упрочнения показал в поверхностных слоях наличие зоны так называемого «белого слоя». При этом в зависимости от сочетания деформационного и теплового воздействия на обрабатываемую поверхность «белый слой» может формироваться как на поверхности образца, так и в приповерхностной области, что объясняется образованием избыточной теплоты в зоне обработки, которая не успевает отводиться в тело детали, и температура нагрева поверхностного слоя значительно превышает пороговое значение. В результате возникновения большого количества теплоты происходит незначительный отпуск закаленной на «белый слой» стали. Кроме того, различные режимы импульсной обработки приводят к наличию или отсутствию полос сдвига в зоне упрочнения.

Экстремальные условия, создаваемые в зоне обработки при импульсном температурно-силовом воздействии в ходе ЭМОсДСВ, приводят к возникновению в материале термодинамически неравновесных структур, обусловленных сочетанием дисперсных метастабильных фаз, повышенной субструктурной и концентрационной неоднородностью, ростом несовершенств кристаллического строения. Подобные эффекты становятся причиной повышенной микротвердости «белого слоя», упрочненного ЭМОсДСВ.

Таким образом, изменение характера приложения усилия и пластического деформирования в процессе ЭМО приложение ударного воздействия

на поверхность позволяет повысить интенсивность процесса высокотемпературной деформации и способствовать дополнительному упрочнению обрабатываемой поверхности. Сравнительный анализ зависимостей микротвердости по глубине упрочненного поверхностного слоя для деталей, обработанных ЭМО и ЭМОсДСВ, показывает средний прирост твердости равный 15. 30 %, при одинаковых значениях технологических факторов упрочнения (силы тока и скорости обработки). При этом высокие скорости и температуры протекающих процессов способствуют фиксации указанных упрочненных структур на большей глубине поверхностного слоя, что невозможно достичь при традиционной электромеханической обработке со статическим прижатием инструмента к обрабатываемой поверхности. Анализ полученных результатов экспериментов показывает перспективность развития и совершенствования ЭМОсДСВ; исследуемый способ обработки обладает высокими потенциальными возможностями эффективного управления структурно-фазовыми превращениями при ЭМО благодаря воздействию на обрабатываемую поверхность импульсов заданной формы, амплитуды и продолжительности.

1. Аскинази, Б. М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой [Текст] / Б. М. Аскинази. — Л. : Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. — 196 с.

2. Эдигаров, В. Р. Технологии и оборудование комбинированных способов электромеханической обработки [Текст] / В. Р. Эдигаров. – Омск : ОАБИИ, 2014. – 280 с.

3. Гурьев, Г. В. Метод твердости для оценки сопротивления стали пластической деформации при ударе : науч. тр. / Г. В. Гурьев, М. С. Дрозд, А. В. Федоров. — Волгоград : ВПИ. — 1967. — С. 383 — 403.

4. Дрозд, М. С. Инженерные расчеты упругопластиче-ской контактной деформации / М. С. Дрозд, М. М. Матлин, Ю. И. Сидякин. — М. : Машиностроение, 1986. — 224 с.

5. Пат. 132751. Российская Федерация, МПК В24В 39/04 (2006.01). Державка для комбинированной электромеханоим-пульсной обработки [Текст] / Эдигаров В. Р., Дегтярь В. В., Ушнурцев С. В., Новиков П. Д. [и др.] ; заявитель и патентообладатель Эдигаров В. Р. — № 2013105500/02 ; заявл. 08.02.2013 ; опубл. 27.09.2013, Бюл. № 27.

6. Матлин, М. М. Особенности формирования упрочненного слоя при электромеханической обработке с динамическим силовым воздействием [Текст] / М. М. Матлин, Н. Г. Дудкина, А. Д. Дудкин // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2007. — № 6 (30). — С. 38 — 41.

ЭДИГАРОВ Вячеслав Робертович, кандидат технических наук, доцент (Россия), начальник кафедры двигателей.

ЛИТАУ Евгений Викторович, преподаватель кафедры двигателей.

МАЛЫЙ Вячеслав Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры эксплуатации бронетанковой и автомобильной техники. Адрес для переписки: edigarovs@mail.ru

Статья поступила в редакцию 05.12.2014 г. © В. Р. Эдигаров, Е. В. Литау, В. В. Малый

Дубровин, В. К. Технологические процессы литья : учеб. пособие / В. К. Дубровин. – Челябинск : Из-дат. центр ЮУрГУ, 2013. – 193 c. – ISBN 978-5-696-04513-9.

В учебном пособии приведены практические рекомендации по разработке технологического процесса изготовления отливок в разовые формы, выдержки из применяемых стандартов и необходимый справочный материал, варианты заданий для самостоятельной работы и пример ее выполнения. Учебное пособие является руководством к выполнению выпускной квалификационной работы бакалавров, практических, курсовых работ и проектов магистров по направлению 150400 «Металлургия». Пособие также может быть полезно для инженерно-технических работников литейного производства.

Теоретические основы электродуговой и газовой сварки : учеб. пособие / Ред. Г. В. Конюшков. – Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т, 2013. – 63 c. – ISBN 978-5-7433-2661-7.

В учебном пособии рассмотрены особенности сварных соединений основными способами сварки плавлением: электрической дугой с ее разновидностями и газовой. Рассмотрены теоретические основы этих методов сварки. Даны краткие рекомендации по выбору параметров режимов. Учебное пособие предназначено для бакалавров-инженеров и магистров, обучающихся по направлению 150700 «Машиностроение» в соответствии с профилем «Оборудование и технология сварочного производства» очного, заочного и ускоренного обучения. Может быть полезно для бакалавров и магистров, обучающихся по другим направлениям: приборостроение, общее, энергетическое, транспортное, химическое машиностроение, производство металлоконструкций и нефтегазовых трубопроводов. Пособие заинтересует конструкторов и технологов, занимающихся проектированием и производством сварных конструкций в других отраслях техники. Учебное пособие позволит будущим специалистам сварочного производства подойти квалифицированно к пониманию и применению сварки при разработке технологии изготовления изделий в самых различных отраслях техники.

Ссылка на основную публикацию