Технические
науки/8. Обработка материалов в машиностроении
Поломошнов П. Ю., Мурзин
С. Р.
ОАО "Уральский
научно-технологический комплекс" Россия, г. Нижний Тагил
Электроискровая упрочняющая
обработка металлических поверхностей. Некоторые аспекты применения, оборудование,
перспективы развития.
В настоящее время наука, техника и производство
обладают достаточно широким количеством
методов упрочнения металлических поверхностей. Среди них можно отметить методы
химико-термической обработки, электрохимической и др.
Одним из распространенных методов упрочнения и
нанесения защитных покрытий является электроискровое легирование (ЭИЛ).
Сущность ЭИЛ заключается в полярном переносе при
искровом разряде в газовой среде материала анода (упрочняющий электрод) на поверхность
катода. При этом катодом является упрочняемая деталь или инструмент. В
результате на поверхности детали образуется упрочненный слой, обладающий
улучшенными поверхностными свойствами (высокой твердостью и износостойкостью,
адгезией). В процессе ЭИЛ под влиянием термомеханического воздействия искрового
разряда происходит эрозия материала анода в жидкой, твердой и паровой фазах, а
также перенос продуктов эрозии на катод, на поверхности которого в результате
микрометаллургических процессов образуется своеобразный композиционный
материал, обладающий повышенными прочностными свойствами в зависимости от
материалов электродов и режимов электроискровой обработки [1,2]. Одним из основных преимуществ этого метода
является отсутствие нагрева основного металла детали при ЭИЛ.
К достоинствам метода также можно отнести:
возможность нанесения на обрабатываемую поверхность компактным электродом любых
компактных материалов и не токопроводящих порошковых материалов; высокая
прочность сцепления наносимого слоя с материалом основы, низкая энергоемкость
процесса (0,5...1 кВт); несложное осуществление технологических операций,
возможность механизации технологического процесса, незначительный расход
электродного материала [2].
Одной из важнейших задач при ЭИЛ является подборка
и использование специальных электродных материалов, обеспечивающих качественный
легирующий слой с требуемыми эксплуатационными и физико-химическими свойствами.
По данной теме существует множество разработок и
исследований [4, 5], а также практические результаты их применения. Для
упрочнения стальных поверхностей, как правило, применяют твердые сплавы на
основе карбидов вольфрама и титана, а также другие материалы, в зависимости от
способа упрочнения, состава межэлектродной среды, требований к поверхности.
Повышение стойкости штампового инструмента
является важной задачей, влияющей на производительность труда, снижение расхода
металла и энергозатрат, повышение качества штампуемых деталей [6].
В ОАО "Уральский научно-технологический
комплекс" (УНТК) совместно с ОАО "НПК"Уралвагонзавод" проводятся
НИР и ОКР работы с целью использования технологии ЭИЛ для упрочнения различных
номенклатур инструмента.
Для ЭИЛ использовалась установка для
электроэрозионного нанесения металлических покрытий Alier G53-Metal. Установка Alier
G53-Metal предназначена для электроэрозионной обработки деталей машин с
целью повышения их износостойкости, восстановления размеров, упрочнения рабочих
поверхностей режущего инструмента и штамповой оснастки.
Принцип работы установки основан на явлении
электрической эрозии материала анода и последующего полярного переноса
материала-анода на деталь (катод) под действием импульсных разрядов тока.
Установка содержит генератор с кабелем питания и
ручной инструмент (вибровозбудитель) с кабелем подключения к генератору и к
обрабатываемой детали. Генератор импульсов предназначен для работы с ручным инструментом,
а также может использоваться для работы с инструментом дисковым для
механизированной обработки. Вибровозбудитель выполняет функцию коммутирования
разрядной цепи вибрирующим электродом.
Установка Alier
G53-Metal имеет следующие частотно-энергетические режимы обработки (табл.
1).
Таблица 1
Частотно-энергетические режимы обработки
установки Alier G53-Metal
|
Режим обработки |
Сила тока I, А |
Длительность импульсного разряда τ, мкс |
Частота следования импульсных разрядов f, Гц (Коэффициент
энергии) |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Режим 1 |
125 |
25 |
1200 (1,0) |
|
960 (0,8) |
|||
|
720 (0,6) |
|||
|
480 (0,4) |
|||
|
240 (0,2) |
|||
|
Режим 2 |
175 |
50 |
600 (1,0) |
|
480 |
|||
|
360 |
|||
|
240 |
|||
|
120 |
|||
|
Режим 3 |
200 |
100 |
400 (1,0) |
|
320 |
|||
|
240 |
|||
|
160 |
Продолжение табл. 1
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
80 |
|
Режим 4 |
200 |
200 |
300 (1,0) |
|
240 |
|||
|
180 |
|||
|
120 |
|||
|
60 |
|||
|
Режим 5 |
200 |
400 |
160 (1,0) |
|
128 |
|||
|
96 |
|||
|
64 |
|||
|
32 |
|||
|
Режим 6 |
200 |
750 |
80 (1,0) |
|
64 |
|||
|
48 |
|||
|
32 |
|||
|
16 |
|||
|
Режим 7 |
200 |
1500 |
40 (1,0) |
|
32 |
|||
|
24 |
|||
|
16 |
|||
|
8 |
Промышленной апробации ЭИЛ предшествовали опыты
и исследования. Так, проводились исследования по формированию электроискровых покрытий
на штамповой стали 5ХНМ. Материалом электрода послужили дисперсионно-твердеющие
СВС электродные материалы из алюминидов титана и Ni-Co
материал с Ti-Zr связкой.
На рис. 1 представлена микроструктура образца из
стали 5ХНМ после ЭИЛ. Микроструктура поверхности представляет собой светлую
нетравящуюся полосу, за которой следует переходный слой мартенсита. В середине
образца − перлит и незначительные выделения феррита. Микротвердость
948... 1075 НV, переходной зоны 721 HV, средней части 263 HV.
Рис. 1
При легировании на данном режиме рабочей
поверхности и испытании штампового пуансона было установлено, что ЭИЛ рабочей
поверхности приводит к увеличению стойкости в 4−5 раз.
Крупные машиностроительные предприятия с
непрерывным технологическим циклом имеют большую номенклатуру инструмента,
нуждающегося в поверхностном упрочнении.
В условиях ОАО
"НПК"Уралвагонзавод" было проведено ЭИЛ на различных наименованиях
инструмента. Проведена опытная работа по упрочнению режущего инструмента
методом ЭИЛ. Результаты испытаний позволяют полагать, что стойкость
упрочненного режущего инструмента в 2−4 раза выше, по сравнению с
неупрочненным. При этом сокращается количество переточек и переналадок станка
для смены инструмента, соответственно за одну установку упрочненного
инструмента обрабатывается в 2−3 раза больше деталей, в отличие от неупрочненного
инструмента.
ЭИЛ опытной партии фрез позволило уменьшить
общее количество переналадок станка, увеличить срок службы инструмента.
При современных тенденциях развития
машиностроения, все более широко использующих электрофизические методы упрочнения
и нанесения покрытий на металлические поверхности, можно отметить, что ЭИЛ
является перспективным направлением увеличения несущей способности поверхностей
деформируемого инструмента. ЭИЛ можно отнести к универсальным методам
упрочняющей поверхностной обработки, кроме того он является экологически
безопасным с возможностью использования различных токопроводящих материалов.
Дальнейшие исследования и промышленные опробования процессов ЭИЛ с использованием
современных средств и методов являются весьма актуальными.
Литература:
1. Верхотуров А. Д., Николенко С. В.
Классификация. Разработка и создание электродных материалов для
электроискрового легирования // Упрочняющие технологии и покрытия. 2010. № 2. С
13−22.
2. Бабенко Э .Г., Николенко С. В., Кузьмичев Е.
В. Комбинированная обработка стали 3 Ст3 электроискровым легированием и
газоэлектрической наплавкой в среде СО2. // Упрочняющие технологии и
покрытия. 2013. №8. С 14−21.
3. Алтухова В. В., Мокрицкий Б. Я. и др.
Проектирование эффективных технологических процессов упрочнения
инструментальных материалов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. №5. С
33−41.
4. Верхотуров А. Д., Подчерняева И. А. и др.
Электродные материалы для электроискрового легирования. М.: Наука. 1988. 224 с.
5. Николенко С. В., Кондратьев А. И. Сундуков А.
М. Перспективные электродные материалы для электроискрового легирования сталей
с применением минерального сырья // Электронная обработка материалов. 1997. №
1. С. 19−23.
6. Крашенинников Д. И., Астафьев Г. И.,
Файншмидт Е. М., Поломошнов П. Ю. Оптимальное
износостойкое покрытие для горячего прессования титановых сплавов // Упрочняющие
технологии и покрытия. 2010. №8. С. 18−24.