автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Электрохимическая размерная обработкавосстанавливаемых деталей сельскохозяйственной техники (на примере гильз цилиндра насоса УН.41.000)

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОЛДОВЫ

?га о/1

На правах рукописи

-7 о УДК631.3.02.004.67

ь 0 '007

СИДОРОВ Владимир Михайлович

Электрохимическая размерная обработка восстанавливаемых деталей сельскохозяйственной техники

(НА ПРИМЕРЕ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРА НАСОСА УН.41.000)

Специальность 05.20.03 — эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

. КИШИНЕВ * 1997

Работа выполнена на кафедре «Ремонт машин и технология конструкционных материалов» Государственного Аграрного Университета Молдовы.

Петров Ю. Н.|, академик АН РМ, заслуженный деятель

науки Республики Молдова, доктор хабилитат технических наук, профессор университар;

Марьян Г. Ф., доктор технических наук, коиференцпар университар.

Гологан В. Ф., доктор хабилитат технических наук, профессор университар;

Сафронов И. П., доктор хабилитат технических наук;

Добря В. И., доктор технических наук, конференциар университар.

Защита состоится « »_:____1997 г.,

в _ часов на заседании специализированного

совета ДН 05.92.22 прм Государственном Аграрном Университете Молдовы. Адрес: МД2049, г. Кишинев, ул. Мир-чешть, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. „

Автореферат разослан « ^ » С ^__1997 г.

Ученый секретарь

II а у ч н ы е руководители:

Официальные оппонеит ы:

специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Расширение номенклатуры восстанавливаемых деталей сельскохозяйственной техники, является одной из важных задач, стоящей перед ремонтными предприятиями аграрного сектора Молдовы. В результате восстановления деталей, изготовленных из дорогостоящих легированных сталей, эффективность ремонта возрастает более существенно. Однако обрабатываемость сталей традиционными методами ухудшается с увеличением в их составе содержания углерода и легирующих элементов. Указанное обстоятельство существенно затрудняет и часто делает нецелесообразным восстановление деталей, изготовленных из высоколегированных сталей высокой твердости. Это, в первую очередь, относится к деталям сельскохозяйственной техники с изношенными внутренними поверхностями, в том числе типа «гильза», изготовленными, из высокохромистых сталей мартенситного класса.

Одним из перспективных способов обработки деталей шз труднообрабатываемых материалов, является электрохимическая размерная обработка (ЭХРО). Она характеризуется высокой производительностью, не зависящей от твердости обрабатываемого материала, отсутствием силового воздействия на обрабатываемую поверхность и возможностью получения поверхности с шероховатостью, сравнимой с полированием.

Однако внедрение электрохимической размерной обработки в технологические процессы восстановления деталей машин на предприятиях по ремонту сельскохозяйственной техники сдерживается. Это объясняется нивкой точностью способов ЭХРО, приемлемых для условий ремонтных предприятий, и отсутствием соответствующего технологического оборудования для ее реализации применительно к конкретным деталям машин. Поэтому исследования, направленные на повышение точности электрохимической размерной обра-

ботки деталей из труднообрабатываемых сталей, позволяющие расширить номенклатуру восстанавливаемых деталей, повысить качество и снизить себестоимость ремонта сельскохозяйственной техники являются актуальными.

Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой ГКНТ 05.51 .¡I I. «Разработать и освоить прогрессивные методы организации, технологические процесс.'! и оборудование, обеспечивающие повышение уровня истшль-зования, технического обслуживания, ремонта тракторов, автомобилей, сельскохозяйственных машин и восстановления изношенных деталей».

Цель работы. Разработать высокоэффективную технологию электрохимической размерной обработки восстанавливаемых отверстий в деталях, изготовленных из хромистых сталей мартен-ситного класса.

Научная новизна. 1. Предложена математическая модель электрохимического калибрования отверстий восстанавливаемых деталей типа «гильза».

2. Установлены закономерности влияния условий ЭХРО на производительность процесса, катодное газовыделенпе, температуру нагрева электролита и точность обработки сталей 40X13, 95X18, X12, в хлоридных электролитах.

3. Впервые получены экспериментальные данные, позволяющие предположить, что в процессе электрохимической обработки в хлоридных электролитах на катоде протекают несколько реакций, но крайней мере одна из которых идет без выделения молекулярного водо-рода.

4. Впервые обоснована и предложена для ЭХРО хромистых сталей концентрация хлорндного электролита, обеспечивающая приблизительно постоянную электропроводность электролита по длине межэлектродного канала (МЭК).

ТГрактическая ценность. Научно обоснованы и предложены для ЭХРО исследуемых сталей режимы и концентрация хлорндного электролита; разработаны технологические процессы и оборудование для электрохимической размерной обработки восстанавливаемых гильз цилиндров насосов опрыскивателей УН.41.000, обеспечивающие повышение производительности обработки в 8 раз по сравнению с внутренним шлифованием.

Реализация результатов исследований. Разработанный технологический процесс и оборудование для восстановления гильз цилиндров опрыскивателей УН.41.000 прошли техноло-ги"че£кую проверку на Будештском СРП и приняты к вне-

дреншо с ожидаемым экономическим эффектом 3340 руб. (в ценах 1990 года).

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций подтверждается использованием обоснованных п общепринятых методов исследований, современных поверенных контрольно-измерительных приборов и оборудования, применением математических методов обработки статистически« данных, достаточной повторности экспериментов, результатами лабораторных, производственных и эксплуатационных испытаний.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Третьей Всесоюзной конференции электрохимической обработки металлов «Новое в электрохимической размерной обработке» (Кишинев, 1972 г.); на республиканских научно-технических конференциях: «За технический прогресс в сельском хозяйстве» (Кишинев, 1972 г.), «Технический прогресс в механизации и гидромелиорации с.-х. производства» (Кишинев, 1973г.), «Интенсификация ведения отраслей с. х-ва» (Кишинев, 1974 г.), «Пути дальнейшей интенсификации сельского хозяйства Л1ССР» (Кишинев, 1981 г.), «Повышение надежности и эффективности использования сельскохозяйственной техники при применении ¡индустриальных технологий» (Кишинев, 1987 г.); на семинаре Института прикладной физики АН МССР (1982 г.) и объединенном семинаре кафедр «Ремонт машин и технология конструкционных материалов» и «Сопротивление материалов» Аграрного Университета Молдовы (1996 г.); на международном научном симпозиуме по ремонту машин (Кишинев, 1996 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в том числе в двух авторских свидетельствах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, обобщающих выводов, списка использованной литературы из 180 наименований, приложения, актов внедрения и эксплуатационных испытаний. Работа выполнена на 214 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и иллюстрирована 39 рисунками.

Автор за1щйцает:

.1. Математическую модель электрохимического калибрования отверстий восстанавливаемых деталей, описывающую услсвля получения равномерного распределения плотности тока по длине межэлектродного канала,

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, влияния условий ЭХРО на производительность и точность обработки хромистых сталей мартенситного класса в малоконцентрированном хлоридном электролите.

3. Полученные данные и, установленные закономерности катодного газовыделения и выявленный механизм его влияния на электропроводность электролита в межэлектродном канале при анодном растворении высокохромнстых сталей высокой твердости в хлоридных электролитах.

4. Оптимизированные режцмы электрохимической размерной обработки в хлоридных электролитах, обеспечивающие равномерный сьем металла по длине межэлектродного канала.

5. Предложенный электролит, разработанный технологический процесс н оборудование для восстановления гильз цилиндра насоса УН.41.000 электрохимической размерной обработкой.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан аналитический обзор существующих способов обработки восстанавливаемых деталей машин, изготовленных из труднообрабатываемых материалов. При этом отмечается, что при восстановлении деталей с.-х. техники основным способом обработки поверхностей твердостью выше НИС 38...42 является шлифование. Известно, что шлифование характеризуется низкой производительностью и ухудшает физико-механические свойства обрабатываемых поверхностей. Причем трудовые затраты на механическую обработку единицы поверхности типовых деталей машин при ремонте в 3,2...'13,4 раза выше, чем при нзготовлеяни на машиностроительных заводах. Себестоимость абразивного шлифования деталей из нержавеющих и высоколегированных инструментальных сталей и сплавов в 5... 10 раз превышает себестоимость обработки конструкционных материалов, которая дополнительно многократно увеличивается при шлифовании отверстий диаметром 30...60 мм.

Электроабразивную обработку отверстий небольших диаметров в большинстве случаев реализовать не удается, так как возникают трудности, связанные с обеспечением равномерности подачи электролита, загрязнением кругов, подводом технологического тока и. др.

По сравнению с механической и электроабразивнои, электрохимическая размерная обработка отверстий более перспективна. Ее особенность состоит в отсутствии механического контакта между инструментом и обрабатываемой деталью. Производительность ЭХРО легированных конструкционных сталей в 10... 12 раз выше по сравнению со шлифованием при получаемой шероховатости поверхности в пределах На = 0,32...2,5 мкм. Однако недостаточная точность, наиболее эффективных способов ЭХРО ограничивает ее широкое использование при изготовлении и восстановлении деталей машин.

Анализ существующих способов электрохимической размерной обработки показал, что повышение точности ЭХРО достигается в результате существенного усложнения и удорожания технологии, применяемых электролитов и оборудования, при этом возрастают эксплуатационные расходы и снижается производительность обработки. Такой подход к решению вопроса повышения точности обработки применительно к условиям предприятий по ремонту сельскохозяйственной техники не приемлем.

Очевидно, что применение ЭХРО, при восстановлении деталей с.-х. техники, реально при использовании достаточно простых схем формообразования, обладающих всеми преимуществами способа. Поэтому для достижения поставленной цели необходимо исследовать возможности повышения точности электрохимической размерной обработки в наиболее дешевом, высокопроизводительном и технологичном хло-ридном электролите, применительно к наиболее простой по исполнению непрерывкой ЭХРО с неподвижным катодом и постоянно увеличивающимся в процессе обработки межэлектродным зазором.

Изучение особенностей процесса электрохимической обработки позволили предположить, что анодное растворение хромистых сталей мартенситного класса в растворах будет протекать в аподно-активированном состоянии в широком диапазоне плотности тока. Из этого следует, что процесс формообразования будет определяться, в основном, электропроводностью электролита и геометрической характеристикой межэлектродного канала.

В таких условиях основной причиной низкой точности выбранной схемы электрохимической обработки является выделение в межэлектродном зазоре и накопление в направлении протока электролита продуктов растворения. Однако

известно, что газ и тепло, выделяющиеся в процессе ЭХРО, оказывают на электропроводность электролита противоположное воздействие. Поэтому существует принципиальная возможность отыскания таких условий ЭХРО, при которых их совместное влияние на электропроводность электролита будет взакмокомпснсироваться.

Таким образом, для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель электрохимической размерной обработки отверстий, описывающую условия получения равномерного распределения плотности тока по длине межэлектродного канала.

2. Изучить закономерности выделений тепла и газа и межэлектродном канале при ЭХРО исследуемых сталей и их влияния на процесс электрохимического формообразования отверстий в хлоридных электролитах.

3. Исследовать влияние условий электрохимической размерной обработки высокохромиетых сталей мартенситного класса в хлоридных электролитах на производительность и выравнивающие свойства процесса обработки.

4. Разработать и апробировать в производственных условиях технологический процесс и оборудование для восстановления, методом ремонтных размеров, гильз цилиндра насоса опрыскивателя УН.41.000 электрохимической размерной обработкой.

Во второй главе приведена общая методика экспериментальных исследований. В ней предусмотрено систематическое изучение закономерностей тепло- и газовыделений и обрабатываемости хромистых сталей при ЭХРО в хлоридных электролитах концентрацией 1,5...10% ЫаС1. В некоторых экспериментах с целью сравнения использовали .16% раствор азотнокислого натрия.

Для реализации указанных задач была разработана н изготовлена оригинальная экспериментальная электролитическая ячейка ЭХРО. Ее конструкция позволяет использовать для исследоватшй образцы в виде втулок. В процессе эксперимента . обрабатывалась часть кольцевой поверхности образца-втулки. Это позволило с высокой точностью выдерживать необходимую высоту межэлектродного канала и выполнять несколько сотен экспериментов с каждым из образцов. Их изготавливали из сталей 40X13, 95X18 и Х12, которые используются для изготовлениядеталей с.-х. техники, рабо-

тающих в коррозионно-актпвных средах. Образцы подвергали закалке и низкому отпуску или отжигу.

Измерение объема выделяющегося в процессе электрохимической обработки газа осуществляли прямым методом. Для этого в гидравлическую систему экспериментальной установки, на выходе из ячейки ЭХРО, включали специальное устройство для отделения газа от электролита и измерения его объема, который затем приводили к нормальным условиям. Температуру электролита в процессе ЭХРО измеряли с помощью специально изготовленного малоинерционного датчика, установленного на выходе из МЭК. Датчик был включен в одно из плеч моста постоянного тока в диагональ -которого подсоединяли гальванометр осциллографа Н700.

Выход анодного растворения металла по току (г)ан) определяли, гравиметрическим методом, при этом электрохимический эквивалент (Са„) растворяемых сплавов рассчитывали по методу сложения зарядов.

Локализующие свойства процесса анодного растворения изучали с использованием ступенчатых анодов из платины и исследуемых сталей. При этом, начальную высоту искусственной макронеровтгасти на ступенчатом образце выполняли Лн = 0,1 мм. После снятия с выступа стальных образцов минимально необходимого для его выравнивания припуска на обработку Z=0,1 мм, высота макронеровн.ости становилась равной Дк. После чего рассчитывали коэффициент выравнивания К3=(А„—$.К)!Ъ. При проведении экспериментов использовали элементы программирования и автоматики. Рабочие растворы электролитов приготавливали из химикатов квалификации «ХЧ» и «ЧДА» растворением в дистиллированной воде. Все эксперименты проводили в электролитах при постоянных значениях температуры и кислотности (рН). Обработку экспериментальных данных проводили методами теории вероятности и математической статистики с использованием ЭВМ СМ .1600.

В третьей главе рассмотрены математическая модель электрохимической размерной обработки отверстий, обеспечивающая равномерность съема по длине протока электролита, оптимизация режимов ЭХРО и экспериментальная проверка полученных результатов.

При моделировании процесса ЭХРО гильз был нспользо-эа,н закон Ома для однородного'электрического поля в од-' зомерном приближении. Основанием для его применения с делыо расчета процесса обработки гильз является: во-пер-

вЫх, так как кривизна гильз диаметром 24—50 мм сравнительно невелика и направление нормалей к поверхностям анода и катода близки друг к другу, то межэлектродное пространство между ни.\ш можно рассматривать как плоскопараллельный канал. Во-вторых, предполагается отсутствие концентрационных изменений вблизи анода, а поверхность анода эквипотенциальна.

В этом случае распределение плотности тока будет первичным и плотность тока по длине МЭК может быть определена по выражению:

¡■(х) = (и~Дф)х(х)/5(х) (!)

где и — напряжение на электродах; Дер — сумма анодного н катодного потенциалов; у. — удельная электропроводимость раствора; Б — высота межэлектродного канала; х — длина межэлектродного канала.

Таким образом, по существу, точность обработки будет определяться погрешностью формы отверстия гильзы в продольном направлении, обусловленной неравномерным распределением плотности тока вдоль обрабатываемой поверхности.

Закономерности формирования профиля анодной поверхности, как и величина погрешности формы, определяется разнонаправленным влиянием тепловыделения и газовыделения на величину электропроводности рабочего раствора в МЭК. В зависимости от указанных факторов удельную электропроводимость электролита принято выражать в виде:

х = хо(1—Ф)П[1 + РС1-М], (2)

где ф — коэффициент газосодержания; 10 и {—температура раствора соответственно на входе в МЭК и в канале; у_0 — удельная электропроводимость раствора, подаваемого в зазер; п — пoкaзaíeль степени, учитывающий изменение эффективной электропроводности раствора в связи с его га-зонаполиением; (3 — температурный коэффициент изменения электропроводимости.

С целью уменьшения погрешности формы восстанавливаемых гильз необходимо найти такие условия процесса, при которых распределение плотности тока будет наиболее равномерным или близким к нему, что означает выполнение следующего требования:

(1-Ч>)п[1+Р(^о)]-*1. (3)

В этом случае система уравнений переноса, полученная Суворовой Т. С. интегрируется и принимает вид:

V(l—<p)¡>!hS= (Са„—С„) ix -ЬУсржБо V(ppnS = C,iix

РжСржУБ (1—<p).í== (U—dtp) ix+p»CpmV0toSo Р = Р0— Вх

где V — скорость течения электролита; рж и рн — плотность жадксста и газа; Са„ и Си — электрохимические эквиваленты растворения анода и выделения водорода; Р—давление электролита; 1 — температура электролита; Срж — удельная теплоемкость жидкости; В — коэффициент изменения давления по длине канала.

При граничных условиях па входе в канал |х~0|:

После ряда подстановок, упрощений и преобразований из системы уравнений [4] получены выражения для t ii ср:

где М — молярная масса газа; К — газовая постоянная.

Полученные уравнения позволяют с доверительной вероятностью 0,90 определять оптимальные условия электролиза, обеспечивающие равномерное распределение тока в межэлектродном канале.

Оптимизация условий ЭХРО показала, что снижение неравномерности электропроводности электролита по длине МЭК, до приемлемых значений, требует использования скорости протока электролита выше 30 м/с. Это технически трудно выполнимо. Более эффективным путем решения этой задачи является использование условий обработки, обеспечивающих взаимокомпенсацшо влияния газо- и тепловыделений в МЭК на электропроводность электролита. Это достигается снижением концентрации хлорида в электролите до 1,5%. Указанное обстоятельство представляет существенный интерес с точки зрения повышения точности ЭХРО восстанав-тнва-емых гильз, однако требует изучения обрабатываемости гсследуемых сталей в данном электролите.

Экспериментальная проверка полученных результатов подтвердила закономерности нагрева электролита при ЭХРО,

V—Vo, <р = 0, S = S0, Р = Р0, t=t,

о-

t — izx/ (СржУсржЗ<о) +.to, ф= [VoSo(Po-Bx)M/(C„ixRT) Ч]

(5)

(6)

Описываемое выражением (5). Результаты опытов показывают, что температура нагрева рабочего раствора возрастает с увеличением плотности тока, уменьшением скорости протока раствора и его концентрации. Как видно из формулы (5), температура нагрева- электролита в процессе анодного растворения определяется отношением приложенной к МЭК мощности, к расходу электролита через зазор (Ш/С2). Действительно, измеряемая температура нагрева электролита при ЭХРО во всех экспериментах коррелирует с отношением Ш/р и удовлетворительно согласуется с результатами расчета.

В то же время оптимизацию режимов ЭХРО выполняли исходя из общепринятого предположения, что при анодном растворении в хлоридах, катодный процесс .не осложнен побочными реакциями и выход водорода по току (т)и) составляет 100%. Однако результаты экспериментов показывают, что в наших исследованиях в процессе электрохимической обработки изучаемых сталей в хлоридных электролитах выход по току водорода зависит от технологических режимов и изменяется в широких пределах (г|н = 5... 100%).

Рост плотности тока; уменьшение скорости протока электролита, высоты МЭК, концентрации электролита, значения рН и давления электролита приводят к увеличению выхода водорода по току.

Многочисленные эксперименты и систематизация их результатов позволили заключить, что в принятых условиях анодного растворения т)н коррелирует с отношением силы тока к расходу электролита (1/0) увеличиваясь с его ростом (рис. 1). При постоянном значении 1/0 выход водорода уменьшается с увеличением концентрации и давления электролита и в меньшей мере с уменьшением высоты МЭК.

Тот факт, что в процессе анодного растворения т]п составляет меньше 100% свидетельствует о том, что при электролизе в растворах хлорида натрия на катоде наряду с реакцией разложения воды и выделением водорода имеет место одна или несколько сопряженных реакций, идущих без выделения молекулярного водорода. В зависимости от режимов ЭХРО свойства электролита и условия протекания электрохимических реакций в МЭК изменяются. Это можег привести к изменению доли тока каждой из реакций в общем балансе электродного тока. Состав и свойства рабочего раствора в межэлектродном канале зависят от соотношения-мелу

а

Рис. 1. Влияние отношения силы тока к расходу электролита через МЭК на выход водорода по току при ЭХРО в растворе №С1 концентрацией: 1, 2, 5—2%; 3, 4, 6— 10%; высоте МЭК, мм: 1, 3— 1,0; 2, 4 — 0,3; 5, 6 — 0,3 1) и 1,0'р; давлении электролита на выходе из МЭК, ЛШа: 1, 2,

3, 4 — 0; 5, 6 — 0,21.

ду количеством выделяющихся продуктов электрохимических реакций и объемом электролита. Отношение силы тока к расходу электролита через МЭК характеризует указанное соотношение, что объясняет причину зависимости т]н от 1/'Р.

Результаты экспериментальных исследований совместного влияния газа и тепла в межэлектродном канале на электропроводность электролита в общем согласуются с приведенной ранее математической моделью. Изучение характера вольт-амперных характеристик процесса ЭХРО показывает, что в электролитах с концентрациями 10%, 5% и 3% хлорида при уменьшении скорости протока электролита сила тока в цепи ячейки ЭХРО уменьшается, а в 1,5% растворе, напротив, увеличивается. В электролитах, содержащих 1,75 и 2% соли, вплоть до режима искрения наблюдается линейность вольт-амперных характеристик и их. независимость от скорости протока, что является признаком «идеальности» процесса ЭХРО.

Экспериментально-аналитические исследования подтверждают, что при анодном растворении в 10% .хлоридном растворе, доминирующее влияние на электропроводность электролита оказывает газовыделение. Это приводит к ее умеиьше-

нию с понижением скорости протока электролита и увеличением силы тока. В электролите с концентрацией 2% ЫаС1 выделение газа и нагрев электролита оказывают приблизительно равнозначное влияние на электропроводность раствора. В результате чего последняя остается близкой к исходной, что обуславливает независимость хода вольт-амперных характеристик от скорости протока электролита.

Удельная электропроводимость исследуемых электролитов, рассчитанная исходя из температур нагрева электролита и газосодержания нз МЭК в процессе ЭХРО (хР)

зависит от значения х, 2 а, б), что не противоречит

выражениям (5, 6).

т.

Рис. 2. Зависимость удельной электропроводности электролита на выходе из МЭК (а, б) и в среднем по МЭК (в, г), рассчитанных с учетом количеств газа и тепла, выделяющихся при ЭХРО (хР, иср) и из вольт-амперных характеристик (*эф), от отношения силы тока к расходу электролита через МЭК в растворах КаС1 концентрацией: а, в — 10%; б, г, — 2%; межэлектродном зазоре высотой 0,3 мм; скорости протока электролита 2 м/с (1,3); плотности тока 25 Л/см2 (2,4); давлении электролита на выходе из МЭК, Ризб=0.

Следует заметить, что, так как в реальных условиях ЭХРО !]„ оказался меньше предполагаемого, то в обсуждаемых опытах, взаимокомпенсация влияния выделяющихся газа и тепла на электропроводность электролита наблюдается при электролизе в более концентрированном электролите (около 2% хлорида), чем это получено в результате моделирования.

Проверку математической модели на адекватность выполняли сравнивая величины удельной электропроводимости электролита усредненной по МЭК (хср) с эффективной (хэф).

При этом иср рассчитывали по выражению (2) используя, установленные экспериментально, средние значения газосодержания и температуры электролита в межэлектродном канале: хЭф=15/'[(и—Дср)Рк1 определяли по значениям напряжения (И), силы тока (1), в цепи ячейки ЭХРО в том же эксперименте, а также площади катода (Рк) и высоты МЭК (Б).

Как показали результаты исследований в процессе ЭХРО в 2% хлорндном электролите значения -/.ср и -лъф совпадают, а в 10% имеет место их несовпадение, которое увеличивается с ростом 1/Р (рис. 2в, г). Так как в процессе анодного растворения определяющее влияние на изменение электропроводности .10% электролита оказывает газовыделение, то можно было бы предположить, что подобное уменьшение Кэф вызвана присутствием в МЭК большего объема газовой фазы. Однако, при этом нео-бходимо было бы допустить, что водорода в межэлектродном промежутке выделяется в 3— 6 раз больше, чем это установлено экспериментом, что неприемлемо. По-видимому, подобный характер изменения хЭф обусловлен влиянием относительно небольшого объема газа, находящегося в фазе перехода в результате экранирования пузырьками водорода поверхности катода. При значении 1/(3=1, когда г)„ приближается к 100%, предполагаемая площадь поверхности катода, свободная от пузырьков водорода: рс=15/[(и—Дф)Хср], достигает наименьшего значения и стабилизируется. После этого, темп уменьшения х-3ф с ростом I/(^ существенно замедляется, так как дальнейшее изменение электропроводности электролита в МЭК происходит только за счет роста газовыделения в объеме раствора. Это позволяет предположить, что при анодном растворении исследуемых сталей в хлорпдном электролите основной причиной уменьшения проводимости МЭК является экранирование поверхности катода пузырьками! выделяющегося водорода.

Совпадение численных значений хср и хЭф в процессе анодного растворения в растворе, содержащем 2% хлористого натрия, по-видимому, объясняется тем, что в этом случае экранирование некоторой части катода пузырьками газа сопровождается существенным повышением температуры рабочего раствора, контактирующего с поверхностью катода.

Таким образом, результаты исследований подтвердили, что предложенная мaтeмiaтичecкaя модель электрохимического калибрования отверстий применима при анодном растворении в хлоридном электролите концентрацией около 2%. При этом условие (3) соблюдается до значения отношения 1/(3 = 2,2...2,4, что обуславливает независимость электропроводности электролита от содержания продуктов растворения в МЭК в процессе ЭХРО.

В четвертой главе обсуждаются результаты экспериментальных исследований производительности и точности электрохимической обработки деталей с.-х. техники из сталей 40X13, 95X18 и Х12 в хлоридных электролитах концентрацией 2 и 15% ЫаС1 и нитратном, содержащем 15% Ма.\Ю3. Показано, что в электролите с концентрацией 2% КаС1 исследуемые стали растворяются с выходом по току близким к 100% и высокой скоростью (Уан = 0,004...0,006 мм/с при ¡=15 А/см2), которая линейно увеличивается с ростом плотности ТС'К а. Уменьшение содержания карбидной фазы в структуре исследуемых сталей, в том числе в результате их закалки, приводит к снижению производительности растворения. Это, по-видимому, обусловлено влиянием дезинтеграции карбидной фазы в процессе ионизации сплавов. Последнее объясняет полученный в наших исследованиях выход по току, превышающий 100% при растворении стали Х12 и отожженной стали 95X18.

Повышение концентрации хлорида в электролите до 15% несущественно влияет на скорость растворения изучаемых закаленных сплавов, но при этом, при плотности тока менее 10 А/см2, несколько увеличивается т]ан.

Анодное растворение закаленных сталей 95X18 и Х12 в 2% хлоридном растворе пр.и скорости протока электролита 5,8 м/с характеризуется незначительной зависимостью выхода по току от плотности тока (г1ан=95... 100% при 1=5... 35 А/см2). В то же время при тех же.условиях ионизации стали 40X13 имеет место возрастающая зависимость г)ан = = Г(0. При скорости протока электролита ,1.1,7 м/с анодное растворение сталей 95X18 и, XI2 сопровождается уменьшением г]ан с увеличением плотности тока и при 30 А/см2 составляет соответственно около 90 и 105%. Уменьшение в этих условиях можно объяснить увеличением доли тока, затрачиваемой на электрохимическое растворение карбидов.

Таким образом, полученные результаты исследовании позволяют судить о том, что использование 2% хлористого электролита для электрохимической размерной обработки закаленных хромистых сталей мартенентного класса обеспечивает высокую производительность растворения сплавов с выходом по току, близким к .100%.

В процессе ЭХРО закаленной стали 95X18 в указанном электролите, целесообразно вести при плотности тока 15 А/ем2 и скорости протока электролита 6...10 м/с.

Экспериментальные исследования выравнивающей способности процесса ЭХРО показали, что анодное растворение исследуемых сталей в 2% хлоридном электролите характеризуется более высокой локализирующей способностью, чем в 10% растворе ХаС1.

Следует заметить, что коэффициенты выравнивания, рассчитанные исходя из распределения тока на ступенчатом платиновом аноде и обусловленные первичным распределением тока, оказались значительно меньше коэффициентов выравнивания, определенных при растворении образцов из исследуемых сталей. Это позволяет предположить, чго в условиях анодно-активнрованногз растворения анодные процессы могут трансформировать первнчп се распределение тока в МЭК. в направлении повышения локализующих свойств ЭХРО.

Анодное растворение натурных ступенчатых деталей из закаленных сталей 40X13, 95X18 и Х12 в хлоридных электролитах при нестационарных условиях ЭХРО характеризуется коэффициентами выравнивания в пределах Кб —0,2— 0,26, со слабо выраженной зависимостью от химического состава обрабатываемого сплава и концентрации хлорида в электролите.

Результаты изучения динамики анодного растворения ступенчатых образцов в хлоридных электролитах показали, что чем меньше выход по току растворяемого сплава, тем более эффективнее идет процесс выравнивания. При этом, несколько лучшие выравнивающие свойства 2% раствора хлористого натрия по сравнению с ¡10% проявляются только при растворении стали Х12 (которая ионизируется с меньшими затруднениями, чем стали. 40X13 и 95X18). Основной причиной ухудшения выравнивающей способности электрохимической обработки в хлоридных растворах высокой концентрации является превалирующее влияние газовыделения на электропроводность электролита.

Локализующие свойства анодного растворения исследуемых сталей в растворе №1Ч03 гораздо выше, чем в растворах хлорида. Однако преимущества выравнивающих свойств электролита на основе азотнокислого натрия становятся заметными при высоких плотностях тока (например, 30 А/см2) и поддержании силы тока в процессе ЭХРО постоянной.

В пятой главе описаны разработанные (на основе выполненных исследований) технологические процессы, оборудование, оснастка, результаты их проверки и эксплуатационные испытания деталей восстановленных ЭХРО.

В процессе изучения состояния ремонтного фонда в Крну-лянском СРП Молдовы были установлены закономерности износа и искажения геометрической формы цилиндров насоса УН.41.000. Гильзы, изготовленные из стали 95X18 твердостью НИС 55—62, при износе отверстия (045+160, Ь= — 65 мм) до размера 45,19 мм выбраковывались и заменялись на новые. Полученные данные позволили обосновать целесообразность их восстановления методом ремонтных размеров с использованием электрохимической размерной обработки.

Разработанная технология предусматривает увеличение внутреннего диаметра восстанавливаемых гильз цилиндра ЭХРО до размера 046-,вс.

Ремонтный размер гильз установлен на основании анализа состояния ремонтного фонда и учета номенклатуры манжет по ГОСТ .14896-74, которыми предусмотрено укомплектовывать восстанавливаемые цилиндры.

На основе установленных закономерностей влияния условий ЭХРО на точность и производительность обработки исследуемых сталей были определены оптимальные режимы электрохимической размерной обработки деталей с.-х. техники, которые легли в основу' разработки технологии восстановления гильз цилиндра насо-са опрыскивателя УН.41.000.

Технология электрохимической размерной обработки восстанавливаемых гильз включает в себя их обезжиривание, промывку в воде, ЭХРО с последующей промывкой в воде и пассированием в растворе ЫаМОг.

Электрохимическая обработка гильз до ремонтного размера осуществляется при межэлектродном зазоре 0,5 мм плотности тока 15 А/см'1, давлении 0,25 МПа и скорости протека электролита 10 м/с. В качестве электролита используется 2%-«ый раствор хлористого натрия в воде. Производи-.

гсльность обработки составляет 0,01 мм/с на днамегр отверстия.

Исходя из оптимизированных режимов электрохимической размерной обработки хромистых сталей мартенентного класса были разработаны принципиальная схема, рабочие чертежи и изготовлен опытный образец установки для ЭХРО восстанавливаемых гильз цилиндра насоса УН 41000. Установка состоит из приспособления для центровки и закрепления детали и катод-инструмента, систем циркуляции электролита и подвода технологического тока, а также электрической системы управления. Последняя позволяет вести обработку в режиме программного управления. В качестве источника технологического тока предусмотрено использование серийного выпрямителя ВАК-3200-24У4. Установка изготовлена на кафедре «Ремонт машин и технология конструкционных материалов» Государственного Аграрного Университета Молдовы и смонтирована на Будештском СРП Молдовы.

Разработанные технология и установка ЭХРО прошли технологическую проверку на указанном предприятии и приняты к внедрению с годовым экономическим эффектом 3340 рублей (в иенах 1990 г.). В процессе производственной апробации было установлено, что производи гсльность ЭХРО гильз более чем в 8 раз выше, по сравнению с внутренним шлифованием.

Проведенные эксплуатационные испытания показали, что работоспособность восстановленных электрохимической обработкой гильз не уступает новым.

Разработанная технология ЭХРО была также апробиро-ва.на в условиях НПО «Молдавгидромаш» при обработке сальниковых втулок 8К.Е210251 погружных насосов. Опытная эксплуатация спроектированной нами установки ЭХРО (защищенной авторским свидетельством № 339380 М.К.В.23р 1/04) показала, что производительность обработки отверстия (024+о'°'-я, L = 29 мм) втулки, изготовленной из стали 40X13 твердостью HRC 45—47 по сравнению с внутренним шлифованием возросла в 4 раза.

Для повышения производительности электрохимической размерной обработки деталей сельскохозяйственной техники, для предложенных и принятых к внедрению установок ЭХРО нами разработан способ активного контроля размера обрабатываемого отверстия, который не требует жесткой стабилизации технологических параметров процесса. Способ защищен авторским свидетельством № 401461 МДл, В 23р !1 /04.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена математическая модель электрохимического калибрования отверстий в восстанавливаемых деталях типа «гильза», описывающая условия равномерности распределения плотности тока по длине межэлектродного канала и уменьшения погрешности формы обрабатываемого отверстия. Экспериментально подтверждены общие закономерности и результаты анализа модели и определено, что она может быть использована в расчетах применительно к анодному растворению в 2%-ном хлоридном электролите.

2. Впервые установлено, что в процессе электрохимической размерной обработки сталей в хлоридных электролитах выход водорода по току изменяется в широких пределах и зависит от численного значения отношений силы тока к расходу электролита, его давления, высоты межэлектродного канала и концентрации электролита.

3. Впервые предложено для ЭХРО хромистых сталей мартенситного класса, с целью повышения точности обработки, использовать хлеридный электролит с концентрацией около 2%. Установлено, что в этом электролите наблюдается взаимокомненсирующее влияние на электропроводность электролита газа и тепла, выделяющихся в межэлектродном канале в процессе электролиза, а также более благоприятное, с точки зрения повышения точности обработки, распределение плотности тока в МЭК-

4. Показано, что основной причиной снижения проводимости межэлектродного промежутка в процессе ЭХРО в хлоридных электролитах является экранирование поверхности катода пузырьками водорода.

5. Установлено, что закаленные стали 40X13, 95X18 и Х12, из которых изготавливаются коррозионностойкие детали сельскохозяйственной техники, в электролите, содержащем 2% \таС1, анодно растворяются с высокой скоростью и выходом по току 85—98% (при плотности тока 10—35 А/см2). Концентрация хлорида в электролите несущественно влияет на производительность их обработки.

6. Предложен электролит, разработаны технология и оборудование для восстановления гильзы цилиндра насоса УН.41.000 электрохимической размерной обработкой, которые прошли проверку на Будештском специализированном ремонтном предприятии и приняты к внедрению с ожидаемым экономическим эффектом 3340 руб, (в ценах 1990 г.),

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

1. Сидоров В. М. Устройство для автоматического управления экспериментом в процессе исследования электрохимической обработки металлов // За технический прогресс в сельском хозяйстве: Тезисы докладов республиканской конференции,— Кишинев, 1972,—С. 117—118.

2. Сидоров В. М. Зависимость выравнивающих свойств процесса ЭХО от концентрации хлористого натрия // Новое в электрохимической обработке: Материалы Ш Всесоюзной конференции ЭХО металлов.— Кишинев, 1972,—С. 67—70.

3. Сидоров В. М. Исследование влияния условий ЭХО на процесс газовыделения. // Технический прогресс в механизации и гидромелиорации сельскохозяйственного производства: Тезисы докладов республиканской научной конференции, март 1973 г.— Кишинев, 1973,— С. 74—75.

4. А. с. 339380 СССР М. Кл. В 23р 1/04. Устройство для чистовой электрохимической обработки отверстий неподвижным электрод-инструментом / В. М. Сидоров и др. (СССР).— 11353812/25; Заяв. 29.07.1969; Опублик. 24.05.1972 Бюл. № 17.

5. А. с. 401462, СССР, М. Кл. В 23р .1/04. Способ измерения размера отверстия / В. М. Сидоров, Ю. Н. Петров (СССР).— № 1710891/25-8; Заяв. 01.11.1971: Опубл. 12.10.1973, Бюл. № 41.

6. Сидоров В. М. Установка для исследования некоторых параметров процесса размерной электрохимической обработки // Электрофизические методы обработки восстановленных деталей: Труды КСХИ.— 1973.— Т. 107,—С. 29—36.

7. Шор Л. J1Сидоров В. М. Установка для электрохимической обработки отверстий втулок электродвигателей погружных насосов. Там же.— С. 21—25.

8. Сидоров В. М. Исследование обрабатываемости электрохимическим способом стали X12. // Интенсификация ведения отраслей сельского хозяйства: Тезисы республиканской конференции, май 1974 г.—Кишинев,'1974.— Ч. 2.— С. 67— 69.

9. Сидоров В. XI. Исследование выравнивающих свойств электролитов на основе NaC! при ЭХО // Электрохимическая размерная обработка металлов.— Кишинев: Штшшна, 1974.— С. 79—82.

10. Сидоров В. М. Исследование выравнивающих свойств процесса электрохимической размерной обработки некоторых хромистых сталей мартенеитного и ледебуритного кллс-

сов // Повышение качества восстановленных деталей машиВ и работы машинно-тракторных агрегатов: Межвузовский сборник научных трудов.— Кишинев, Í1980.— С. 48—56.

11. Сидоров В. М. Исследование производительности процесса анодного растворения сталей 4X48, 9X18, Х12.— С. 11—17.

,12. Сидоров В. М, Исследование количественного выделения газа в реальных условиях электрохимической обработки II Электродные процессы и технология электрохимической размерной обработки металлов.— Кишинев: Штиинца, 1980. — С. 71—79.

13. Сидоров В. М. Исследование нагрева электролита в межэлектродном зазоре в процессе размерной электрохимической обработки в хлоридных электролитах. Там же.— С. 133—137.

14. Сидоров В. М. Экспериментально-аналитический метод расчета переменных параметров процесса ЭХРО по длине МЭЗ II Пути дальнейшей интенсификации сельского хозяйства МССР: Тезисы докладов научно-производственной

конференции, март .1981 г.— Кишинев, 1981.— Ч. 2.— С. 88—89.

:15. Сидоров В. М. Механизм влияния катодного газовыделения при электрохимической обработке в хлоридных растворах на неравномерность съема металла в МЭП Ц Повышение надежности и эффективность использования сельскохозяйственной техники при применении в индустриальных технологиях: Тезисы докладов республиканской научно-производственной конференции, декабрь 1987 г.— Кишинев, 1987,—С. 83—84.

16. Сидоров В. М. Влияние концентрации хлоридных электролитов на стабильность их электропроводности в межэлектродном промежутке в процессе ЭХО деталей // Интенсификация процессов и повышение качества восстановления деталей: Сборник научных трудов.— Кишинев, 1987.— С. 60—61.

17. Сидоров В. М. Использование электропроводности электролита в системах регулирования процессов электрохимической обработки /'/ Rezúmatele comunicárilcr stiintifice la s¡¡mpoz:onul cu participare iaiternatkmalá, consacrat aniver-sárii a 75 de ani din ziua na§terii acad. Iu. Petrov, 24— 25 iunie 1998.— Chi§inau, 1996— P. 29—30.

A DNOTARE

Teza de doct'orat este consécrala cercetärilo-r teoretice experiméntale ale prelucrärii electrochimice djmensionale in clectroliti cu ioni de clor a otelurilor greuprelucrabile, bogat alíate cu crom. Scopul lucrärii este elabcrarea unei tehnolo-gii efective de reconditionare a pieselor tchnicii agricole de tí pul «cämasa cilindrului» prin metoda di/mensiunilor de reparativ

In lucrare sunt propuse: model-ill matema.tic al calibrärii electrochimice a alezajelor la reconditionarea pieselor cu asi-gurarea distributiei uniforme a densitä|ii curentului in in-terstitiul interelectrodic; regimurile de prelucra-re optimízate si confírmate experimenta:!.

Sunt prezentate rezultatele cercetärilor experimentale ale degajärii gazelor si caldurii in interstitial interelectrodic si interactiunea Jor asupra conductivftä'tii electrice a elect-rolitu-lui tn. functie de regimurile prelucrärii electrochimice dj'men-sionale, pirecum si i-níluentei co-nt'inutului clorurei ín solutie si a conditiilor procesului a-supra produdivitátii si preoizieí prelucrärii otelurilor 40X13, 95X18 §i X12.

Sunt des.crise procesul tehn-ologic utilajele elaborate si aprobate ín condiifii de prc-ductie peníru reconditionarea cä-masei cilindrului pompei UN.41.000 de la stropitori.

The dissertation woTk is dedicated to theoretical and laboratory researches of electro-chim.'ica'l dimension machining (ECDM) of difficult processing parts made of high chromium content steel to elaborate an efficient technology of restoration of machine parts of farm machinery strdh as «cylinder» by the method of repairing dimensions.

In the work are proposed: mathematical model of electro-chimical calibrotion of orifices of repaired (machine parts which describers tihe conditions of the current dencity dest-ri-bution in the space between electrode (SBE), improving and determining of the working conditions,

SUMMARY

The results of experimental researches of heat and gas discharge in SBE and it influence on electrical conductivity oi the eledrolyt in dependence of the conditions of ECDM as weH the influence of chlorid content in the solution and conditions of the proces.s on the rate and precision of machining of steel, 40X13, 95X18, X12.

It i.s described the technology and equipment for repairing of the cylinders of the pump UN.41.000 which was elaborated and tested in the conditions of production.

3. 126, t. 35.