автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Комплексная электротехнология изготовления специальных инструментов

На правах рукописи

ГРОМОВ Евгении Анатольевич

КОМПЛЕКСНАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

специальность 05.03.01 -Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Тула 2004

Работа выполнена на кафедре "Физико-химические процессы и технологии" Тульского государственного университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Любимов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шадский Геннадий Викторович

кандидат технических наук Тимофеев Юрий Сергеевич

Ведущее предприятие:

ООО "ИТО-Туламаш"

Защита диссертации состоится » 2004 г. в ^^ часов

(30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при Тульском государственном университете (300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, 9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного

университета.

Автореферат разослан

2004 г.

//////

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В машиностроительной и полиграфической промышленности, большой объем выпускаемой продукции требует износостойких специальных инструментов, способных выдержать большие тиражи, а большая номенклатура разнообразной продукции - быстрой их смены, в том числе высечных (неметаллические уплотнения, прокладки, этикетки, упаковка и так далее), тиснильных (шильдики, плакаты). Под специальными, понимаются инструменты характеризующиеся нетиповой формой (фасонные печатные, тиснильные пластины, гибкие и жесткие высечные ножи) и специфическими свойствами материалов (сплавы меди, магния, цинка, свинца, а также стальные).

Повышение требований, предъявляемых к качеству деталей с точки зрения улучшения точности и качества поверхности при их обработке, заставляет технологов и исследователей искать пути их обеспечения. Одними из наиболее перспективных путей являются методы электрофизикохимической размерной обработки (ЭФХРО). В связи с этим задача введения электрофизикохимических воздействий для формообразования и упрочнения специальных инструментов, решение которой позволит создавать в том числе уникальные объекты (нежесткие вырубные элементы, объемные матрицы для тиснения голографических изображений и так далее) является весьма актуальной.

Современное оборудование для электрохимической, электроэрозионной, ультразвуковой, ионно-плазменной, вакуумной, лазерной и комбинированной обработки, представляет возможность разработки технологий изготовления фасонных инструментов с использованием электрофизикохимических воздействий.

Данная работа направлена на повышение эксплуатационных и технико-экономических показателей (износостойкость, твердость рабочих поверхностей, экологическая нагрузка при изготовлении) инструментов с фасонными поверхностями (на примере инструментов полиграфии) за счет дополнения современной технологии изготовления электрофизикохимическими воздействиями.

Актуальность исследований подтверждается Госконтрактом № Л0048/1650.

Цель работы. Повышение эксплуатационных и технико-экономических параметров специальных инструментов с фасонными рабочими поверхностями (на примере полиграфических инструментов) на основе применения электрофизикохимических воздействий.

2005-4 12639

Методы исследования. Работа включает в себя теоретические (моделирование с применением ЭВМ) и экспериментальные исследования. Теоретические исследования физических процессов при анодном растворении, тепловых и диффузионных процессов при лазерном термоупрочнении проведены методом численного моделирования (методом конечных разностей), распределение скоростей течения электролита в межэлектродном зазоре выполнены в программном пакете "Gas", использующем численный метод конечных частиц. Экспериментальные исследования проводились с использованием методов теории планирования экспериментов и математической стати-

стики.

i'ÜU г...^.

БИБЛИОТЕКА .

Положения, выносимые на защиту:

1. Установленные закономерности взаимодополнения и сочетания электро-физикохимических воздействий (анодное растворение, лазерное тепловое воздействие, микродуговое оксидирование) на геометрию, микротвердость, шероховатость и износостойкость рабочих поверхностей фасонных инструментов.

2. Методика выбора последовательности электрофизикохимических воздействий, учитывающая свойства материала и направленная на улучшение эксплуатационных и технико-экономических параметров инструментов с фасонными поверхностями.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния анодного растворения, микродугового оксидирования и лазерного термоупрочнения на точность изготовления и износостойкость фасонных инструментов.

4. Технологический регламент получения рельефов инструментов с фасонными поверхностями из меди Ml и стали 65Г методом электрохимической обработки с анодными масками, нанесения оксидно-керамического покрытия на инструменты из магниевого сплава МА2-2Мпч методом микродугового оксидирования, лазерного термоупрочнения инструментов из стали 65Г.

5. Способ формообразования рельефов инструментов с фасонными рабочими поверхностями методом струйной электрохимической обработки с анодными диэлектрическими масками и солевой пассивацией поверхности анода из меди.

6. Способ формообразования рельефов инструментов с фасонными рабочими поверхностями методом струйной электрохимической обработки с анодными диэлектрическими масками и добавкой в электролит эмульсии из поверхностно-активных веществ и углеводородов.

Научная новизна.

Обоснование выбора последовательности электрофизикохимических воздействий при изготовлении инструментов с фасонными поверхностями на основе взаимодополнения и сочетания видов подводимой энергии (тепловая, химическая, механическая) и учета свойств материала для последовательного улучшения эксплуатационных и технико-экономических параметров инструментов.

Практическая ценность работы:

1. Создана гамма инструментов с улучшенными эксплуатационными и технико-экономическими свойствами.

2. Обоснован выбор последовательности электрофизикохимических воздействий при изготовлении рельефов инструментов с фасонными рабочими поверхностями для повышения их эксплуатационных и технико-экономических параметров.

3. Теоретически обоснованы и экспериментально проверены условия повышения точности электрохимической обработки с диэлектрическими анодными масками при обработке меди Ml, лазерного термоупрочнения рабочих поверхностей инструментов из стали 65Г, нанесения износостойкого оксидно-керамического покрытия на поверхности инструментов из магниевых сплавов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных научно-технических конференциях "Современная электротехнология промышленности Центра России. Исследования, инновации, применение" г. Тула, 2002-2004 г., Всероссийских научно-технических конфе-

ренциях "Современная электротехнология в машиностроении", г. Тула, 2002-2003 г., XXIX Гагаринских чтениях, научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГу в 2002-2004 г.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, перечня использованной литературы. Работа содержит 138 листов машинописного текста, 109 рисунков, 10 таблиц, общий объем работы 173 с. Список использованной литературы содержит 141 источник.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее практическая значимость, сформулированы основные положения выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса, определены цель и задачи исследования.

Проведен анализ специальных инструментов (на примере фасонных полиграфических) и предложена классификация их конструкций на основе простейших элементов (единичный профиль) - и образования рельефа таких инструментов как комбинации единичных профилей. В ряде случаев фасонные инструменты являются нежесткими. На поверхностях специальных инструментов недопустимы заусенцы, следы технологической наследственности. Для изготовления таких инструментов применяется широкая гамма сплавов, как черных (типа стали 65Г), так и цветных (медных, магниевых, цинковых и других). Вследствие этого, традиционные методы механической и химической обработки не всегда приемлемы, так как не обеспечивают всего комплекса эксплуатационных и технико-экономических свойств.

Рассмотрено современное состояние методов формообразования рельефов поверхностей в технологии вообще и полиграфической промышленности в частности, на основе воздействий различной природы: тепловой, механической, химической, а также методов упрочнения поверхностей.

Вопросам теории и технологии формообразования фасонных инструментов посвящены работы В.А. Наумова, М.М. Белкина, Н.М. Ноткина, В.А. Узилевского, Семина Е.В., Медведева А.В. и других. Практически все они посвящены формообразованию рельефов специальных инструментов наиболее распространенным на сегодняшний день методом - химического травления в кислотах.

Обоснована перспективность введения электрофизикохимических воздействий в технологию изготовления фасонных инструментов для формообразования и упрочнения рабочих поверхностей. Предложено заменить наиболее распространенный метод формообразования профилей поверхностей фасонных инструментов - химическое травления в кислотах на электрохимическую обработку (ЭХО) с диэлектрическими масками. ЭХО перспективна как обладающая низкой стоимостью, малым подготовительным временем, высокой производительностью, и менее экологически опасна по сравнению с химическим травлением в кислотах. Однако ЭХО обладает низкой точностью.

На основе анализа методов электрофизикохимической обработки и учета свойств инструментальных материалов, для повышения износостойкости обоснована

перспективность методов лазерного термоупрочнения (ЛТУ) стальных фасонных инструментов и микродугового оксидирования (МДО) поверхностей широко распространенных магниевых инструментов.

На основании вышеизложенного, целью работы является повышение эксплуатационных и технико-экономических параметров инструментов с фасонными поверхностями (на примере полиграфических инструментов) на основе дополнения современной технологии электрофизикохимическими воздействиями.

На основании проведенного анализа в соответствии с целью работы сформулированы задачи исследования:

• разработать способы повышения точности электрохимического формообразования поверхностей фасонных инструментов с использованием диэлектрических масок;

• экспериментально исследовать влияние электрофизикохимических воздействий (анодное растворение, микродуговое оксидирование, лазерное тепловое воздействие) на точность формообразования и качество поверхностей инструментов с фасонными поверхностями;

• обосновать технологический регламент формообразования и упрочнения рабочих поверхностей фасонных инструментов.

Во второй главе проведено теоретическое обоснование влияния взаимодополнения и сочетания электрофизикохимических воздействий на эксплуатационные и технико-экономические показатели фасонных инструментов, а также математическое моделирование процессов электрохимического формообразования с диэлектрическими масками, направленное на повышение точности обработки, лазерного термоупрочнения фасонных инструментов из стали 65Г и формования оксидно-керамических покрытий (ОКП) минимальной шероховатости на инструментах из магниевых сплавов.

Обоснование введения электрофизикохимических воздействий в технологию изготовления фасонных инструментов для повышения эксплуатационных и технико-экономических параметров. Общие критерии технологии обработки поверхностей, входящих в заготовку, записаны в виде ограничивающих условий минимизации припуска, напуска и допуска, повышения эксплуатационных характеристик деталей технологическими методами, минимизации энергетических затрат, минимизации времени обработки, минимизации экологической нагрузки.

Параметры заготовки определены пространством, которое определяется совокупностью векторов характеристик заготовки. Технологический процесс в этом случае представлен траекторией изменения указанных характеристик во времени. Характеристики заготовки разделены на геометрические (форма рельефа, шероховатость), механические (твердость, предел упругости и текучести, удельное сужение и др.), химические (электрохимический эквивалент, химическая активность и др.), функциональные (точность), которые определяют предрасположенность заготовки к разрушению.

Свойства электрофизикохимических воздействий разделены на геометрические (обеспечиваемая форма рельефа и шероховатость поверхности), механические (изменение твердости, пределов текучести и упрогости в зоне воздействия и др.), функциональные (производительность, точность, количество каналов воздействия). Вектор характеристик заготовки отождествлен с цепочкой векторов воздействий. Указанное действие позволило отождествить вектор характеристик с целым комплексом величин

посредством закона воздействия, то есть пространство характеристик заготовки имеет физический эквивалент в виде пространства воздействий. Воздействие осуществляется как на один параметр пространства характеристик (один канал воздействия), так и на несколько одновременно (несколько каналов воздействия). При оптимальной (рациональной) последовательности воздействий, уровень /-ой характеристики повышается, при неизменном или повышении уровня остальных.

Таким образом, анодное растворение имеет три канала влияния: на форму рельефов, шероховатость поверхностей, точность. Лазерное тепловое воздействие (ЛТВ) и МДО имеют по два канала влияния - на твердость поверхностей и их точность. В случае ЛТВ и МДО, воздействие на точность поверхностей является негативным, и его необходимо минимизировать дозированием энергии.

Существуют причины, затрудняющие использование указанных влияний:

• Метод химического травления является экологически опасным, как с точки зрения действия на рабочий персонал, так и с точки зрения утилизации отходов (кислоты). Анодное растворение является менее опасным, поскольку позволяет использовать растворы нейтральных солей. Однако метод ЭХО с использованием диэлектрических масок нанесенных на один из электродов (в частности анод) обладает низкой точностью, ухудшающейся с увеличением глубины обработки. Существующие схемы для увеличения точности ЭХО (применение импульсных токов, уменьшение межэлектродного зазора (МЭЗ), особая кинематика привода станка (импульсно-циклическая схема, схема обката)), при наличии изоляции на аноде, не дают ожидаемого эффекта - невозможно снизить подтравливание под изолятор до приемлемого уровня. В связи с этим необходим поиск новых способов повышения точности ЭХО с диэлектрическими масками.

• Твердость структуры в зоне нагрева при ЛТВ зависит от толщины заготовки. Возможно наличие имеет трех участков: с пониженной твердостью характерен для структур, образующихся в деталях малых толщин; с повышенной твердостью — в деталях с толщиной близкой к граничной; с максимальной твердостью - в деталях с толщиной, превышающей граничную. Граничная толщина определяется как глубина проникновения теплового потока за время обработки. Такой характер изменения твердости обусловлен различием в скоростях нагрева и охлаждения в процессе лазерного упрочнения деталей различной толщины. Некоторые инструменты с фасонными рабочими поверхностями (например, полиграфические высечные ножи), характеризуются малыми толщинами — 0,3...2,0 мм, в связи с этим необходимо исследование процесса ЛТУ инструментов, характеризуемых малыми толщинами.

• При изготовлении специальных инструментов важную роль играет шероховатость поверхностей, так например у полиграфических клише, определяя блеск отпечатка при конгревном тиснении. Анализ литературы показал, что при исследовании процесса МДО, основное влияние уделяется вопросу толщины и износостойкости оксидно-керамического слоя. При этом в литературе недостаточно освещены модели управления шероховатостью поверхности образующегося ОКП за счет параметров процесса МДО.

Моделирование электрических и гидродинамических процессов струйной ЭХО с анодными диэлектрическими масками. Как показало моделирование электрических полей в МЭЗ, низкая точность ЭХО с диэлектрическими анодными масками связана с повышением локальной плотности тока у краев изолятора вследствие концентрации силовых линий электрического поля, что приводит к высокой скорости анодного рас-

творения под изолятор в начальный момент обработки (глубины обработки менее 0Д0...0Д5 мм).

Моделирование гидродинамических параметров струйной ЭХО с подачей электролита перпендикулярно плоскости анода показало, что в формирующихся впадинах в аноде шириной менее диаметра струи электролита, возникают зоны с пониженной скоростью течения электролита, что приводит в невозможности повышения локализации для таких элементов за счет струйного режима течения.

Для повышения точности ЭХО с диэлектрическими анодными масками в условиях струйного течения электролита, были разработаны и промоделированы две схемы:

• с добавкой в электролит эмульсии из поверхностно-активных веществ (ПАВ) и углеводородов (масло, керосин, диэтилбензол);

• с применением электролита, вызывающего солевую пассивацию поверхности анода.

При добавке в электролит эмульсии из ПАВ и углеводородов, адсорбированная на аноде пленка эмульсии сдвигается под действием течения электролита в направлении потока, что приводит к скоплению эмульсии в областях застаивания электролита, увеличивая степень заполнения поверхности.

Ингибирование электродных процессов в присутствии органических веществ вызвано адсорбционной блокировкой поверхности анода - на занятых органическим веществом участках электрохимическая реакция не протекает или протекает лишь с небольшой скоростью. При адсорбционной блокировке поверхности, плотность тока определяется как:

(1)

где © — степень заполнения поверхности эмульсией, 0 = где пло-

щадь поверхности занятая адсорбированной эмульсией, Ж- общая площадь поверхности; - константы скорости реакции анодного растворения соответственно на свободной поверхности и занятой органическим веществом (рис. 1).

В связи с этим, замедляется анодное растворение металла в областях скопления эмульсии — впадинах менее диаметра струи, у краев маски. Это приводит к выравниванию скоростей анодного растворения для пробельных элементов различных величин.

В случае схемы с солевой пассивацией поверхности анода, образование слоя соли, обладающего сравнительно высоким омическим сопротивлением, приводит к сосредоточению анодного растворения металла на участках, свободных от отложений соли. Моделирование показало, что пассивное состояние анода наступает тем быстрее, чем больше начальная плот-

/ = £0(1-©) + £,©

0 0.2 0,4 0,6 0,8 1

степень заполнения поверхности эмульсией

Рис. 1 Зависимости плотностей тока от

степени заполнения поверхности анода эмульсией:

ность анодного тока, то есть в областях с концентрацией плотности тока - у краев диэлектрической маски. Обработка производится в импульсном режиме тока с длительностью импульса 5... 120 с и скважностью 1,3...1,8. Во время паузы происходит химическое растворение солевой пленки в электролите. Расчеты показали, что "под-трав" под изолятор снижается только в том случае, когда солевая пассивная пленка у кромки маски во время паузы между импульсами сохраняется, а на пробельных элементах полностью растворяется.

Изменение толщин солевых пленок на аноде, и связанных с ними плотностей тока, приведены на рис. 2,3. Плотность тока нелинейно убывает во времени с ростом пассивной пленки. После паузы, во время которой происходит химическое растворение солевой пленки в электролите, плотность тока и толщина солевой пленки возвращаются к первоначальным значениям.

Установлено, что существует критическая скважность импульсов тока, выше которой снижение "подтрава" под маску от солевой пассивации поверхности анода не наблюдается. Это связано с тем, что при скважности превышающей критическую (для условий рис. 2,3 критическая скважность равна 1,6), во время паузы пассивная пленка полностью растворяется, как в областях с большей начальной плотностью тока (у кромки маски, 40 А/см2, линия 6 рис. 2,3), так и с меньшей (в центре пробельного элемента, 20 А/см2, линия 5 рис. 2,3). Это приводит к большей плотности тока в начальный период импульса (линии 5,6 рис. 3), следовательно, и к большему съему. При меньшей скважности (менее 1,6), у кромки маски пассивная пленка значительно толще (37 мкм, линия 4 рис. 2), чем центре пробельного элемента после паузы (11 мкм, линия 3 рис. 2), при этом токи близки по значению (линии 3,4 рис. 3). То есть, при скважности меньшей критической это приводит практически к одинаковому съему как у кромки маски, так и в центре пробельного элемента, что повышает локализацию обработки, особенно в начальный период (глубина обработки менее 0,10...0,15 мм).

Рис. 2 Зависимости толщин солевых пассивных пленок от времени и скважности: 1,2 - скважность 1,6; 3,4 - скважность 1,3; 5,6 - скважность 1,9; 1,3,5 - начальная плотность тока 20 А/см2, 2,4,6 -40 А/см2; материал - медь Ml

Рис. 3 Зависимости плотностей тока от времени и скважности: 1,2 - скважность 1,6; 3,4 - скважность 1,3; 5,6 — скважность 1,9; 1,3,5 - начальная плотность тока 20 А/см2, 2,4,6 -40 А/см2; материал - медь М1

Таким образом, в результате проведенного моделирования распределения плотностей тока по поверхности анода и гидродинамики протекания электролита в МЭЗ, установлено:

• наибольший "подтрав" под маску происходит в начальный период обработки (глубина анодного растворения менее 0,10...0,15 мм);

• добавка в электролит эмульсии из ПАВ и углеводородов в сочетании со струйным режимом течения электролита перпендикулярно аноду, приводит к скоплению эмульсии в областях застаивания электролита - углах образующихся впадин, краев маски с подтравом, вследствие чего плотность тока при адсорбции эмульсии на поверхности анода, снижается пропорционально увеличению степени адсорбции эмульсии на поверхности анода, что способствует повышению локализации обработки;

• солевая пассивация анода при скважности меньшей критической, обеспечивает выравнивание скорости анодного растворения как у краев маски и в центре пробельного элемента, так и у пробельных элементов различной ширины.

Моделирование тепловых и диффузионных процессов при лазерном термоупрочнении рабочих поверхностей фасонных инструментов. Моделирование проводилось на основе численного решения методом конечных разностей совмещенных задач: тепловой, кинетической (рост зерна аустенита) и диффузионной (перераспределение углерода в аустените).

Расчеты облучения тонких заготовок (0,1... 1 мм) из стали 65Г показали, что толщина заготовки влияет на температуру, которой достигает поверхность при неизменной интенсивности излучения - с увеличением толщины, температура уменьшается, что объясняется более высокой скоростью отвода тепла вглубь материала, чем в окружающую среду. Расчеты показали, что критическая толщина плоской заготовки при закалке без оплавления, при превышении которой, скорость охлаждения не изменяется составляет 0,5 мм, а для фасонной поверхности (высечной нож) — 0,25 мм.

Моделирование процесса ЛТУ рабочих поверхностей фасонных инструментов (из стали 65Г) показало, что глубина закалки и твердость поверхности связаны с тем-

пературой, которой достигает поверхность заготовки и скоростью сканирования излучением поверхности.

Установлено, что при скоростях сканирования поверхности излучением лазера соответственно 5 и 9 мм/с температурный порог, ниже которого закалка не происходит соответственно 900 и 1000 °С, то есть с увеличением скорости сканирования, температурный порог смещается в область более высоких температур. Таким образом, в условиях высокоинтенсивного кратковременного нагрева (скорость нагрева более 3*104 °С/с), необходим значительный перегрев выше точки АС] диаграммы /е-Ге^С, что связано с конечной скоростью диффузии углерода и смещением точек Ов и 8Б диаграммы Яе-^зС в область более высоких температур в связи с высокоскоростным нагревом. Показано, что с возрастанием температуры поверхности, увеличивается глубина закалки, так как увеличивается и температура более глубоких слоев поверхности.

Выявлено, что с увеличением скорости сканирования излучением поверхности, при одинаковой достигаемой температуре поверхности, глубина закалки снижается, что связано с меньшей глубиной проникновения тепла в поверхностном слое заготовки.

Расчеты показали, что концентрация углерода в аустените монотонно увеличивается по глубине поверхностного слоя, при этом доля аустенита в поверхностном слое заготовки снижается. Таким образом твердость поверхностного слоя связана с долей аустенита. Твердость поверхности возрастает с увеличением

доли аустенита в поверхностном слое при условии неизменной скорости охлаждения поверхности.

На основании расчетов установлено, что:

• для получения максимальной твердости поверхностного слоя заготовки необходимо проводить ЛТУ при высоких скоростях сканирования излучением поверхности - более 9 мм/с, что обеспечивает скорости охлаждения более 3*104 °С/с в интервале наименьшей устойчивости аустенита;

• для получения максимальной глубины закалки необходимо при указанных выше условиях, достижение поверхности температуры граничащей с температурой плавления, что приводит к увеличению объема образующего аустенита в поверхностном слое;

• критическая толщина для плоской заготовки из стали 65Г при закалке без оплавления составляет 0,5 мм, для заготовки типа "высечной нож" - 0,25 мм.

5 мч/с

м

Т-Г

О 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

глубин« поверхностного слоя, мм

Рис. 4 Влияние скорости сканирования поверхности заготовки излучением лазера на долю аустенита в поверхностном слое; температура поверхности «1400 °С

Моделирование формирования шероховатости ОКП на магниевых сплавах при МДО. Модель основана на аналогии физических процессов происходящих при пробое оксидно-керамического покрытия и пробое жидкого диэлектрика при электроэрозионной обработке. Известно, что ОКП на сплавах магния полученные в электролитах на основе KF+KOH высокой твердостью и пористостью. Поэтому приняты допущения: - формирование ОКП происходит только в каналах пробоя; - шероховатость ОКП определяется его пористостью, то есть радиус канала пробоя и шероховатость поверхности ОКП магниевых сплавов в интересуемых диапазонах параметров (плотность тока 1...10 А/дм2, толщины покрытия до 100 мкм) связаны линейной зависимостью.

Расчеты показали, что с увеличением плотности тока формовки с 1 до 9 А/дм2, радиус канала пробоя уменьшается с 1,35 до 0,9 мкм, однако это уменьшение незначительное - при росте плотности тока в 9 раз, радиус канала пробоя уменьшается только в 1,5 раза. Большее влияние на радиус канала пробоя при МДО магниевых сплавов оказывает толщина слоя оксида (рис. 5). С ростом толщины слоя оксида в 5 раз - с 5 до 25 мкм, радиус канала пробоя увеличивается до 11 раз - с 0,6 до 7 мкм.

В результате расчетов установлено, что для получения минимальной шероховатости поверхности оксидно-керамического покрытия на магниевых сплавах в гальваностатическом режиме (в диапазоне плотностей тока 1...10 А/дм2), необходимо формирование оксидно-керамического покрытия минимальной толщины - менее 15 мкм.

В третьей главе описана разработанная комплексная методика экспериментальных исследований влияния введения электрофизикохимических воздействий в технологию изготовления на технико-экономические и эксплуатационные характеристики специальных фасонных инструментов, а также оригинальное экспериментальное и лабораторное оборудование.

Комплексная методика включает в себя:

1. методику проведения экспериментальных исследований ЭХО, которая включает в себя:

• оценку точности ЭХО;

• оценку качества поверхности (шероховатости поверхности и формы профилей рельефов).

2. методику проведения экспериментальных исследований ЛТУ, которая включает в себя:

• исследования процесса ЛТУ;

• оценку микротвердости поверхности после ЛТУ.

3. методику проведения экспериментальных исследований МДО, которая включает:

• оценку толщины ОКП;

5 10 15 20 25

толщина слоя оксида* мкм

Рис. 5 Зависимость радиуса канала пробоя от толщины слоя оксида

• оценку шероховатости поверхности ОКП. 4. методику трибологических испытаний.

Методики позволили оценить микротвердость, шероховатость и профили рельефов поверхностей, а также их износостойкость.

Экспериментальные исследования ЭХО проводились на образцах из меди М1, стали 65 Г; лазерного термоупрочнения на образцах из стали 65Г; микродугового оксидирования на образцах из сплава МА2-2Мпч. Каждый образец предварительно подготавливался путем последовательного прохождения операций механической обработки, снятии естественной окисной пленки, сушки.

Для проведения экспериментальных исследований были разработаны экспериментальные установки:

• установка с набрызгиванием электролита и верхним расположением анода — для исследования влияния гидродинамики течения электролита при ЭХО;

• установка со струйным течением (душированием) электролита и верхним расположением анода - для исследования ЭХО с добавкой в электролит эмульсии из ПАВ и углеводородов и для ЭХО с солевой пассивацией поверхности анода;

• установка МДО, работающая в гальваностатическом режиме - для исследования формирования ОКП на магниевых сплавах.

Схема электролизера установки для ЭХО со струйным течением (душировани-ем) электролита и верхним расположением анода приведена на рис. 6.

Заготовка 1 закреплена на токоподводе 2 посредством прижатия изолятором 3, который крепится к подвижному столу 12 винтами 6. Токоподвод закреплен на подвижном столе 12, которому придается возвратно-поступательное движение от шатуна 4. Узел душирования закреплен на дне емкости 8, боковые стенки которой являются направляющими для подвижного стола 12. Электролит в узел душирования подается через шланг 11. На токоподвод 10 узла душирования подается отрицательный потенциал. Чтобы подвижный стол не снимало потоком электролита с направляющих, его движение по вертикали ограничивали вращающиеся ролики 5.

Для приготовления электролитов использовалась дистиллированная вода и следующие составляющие различной концентрации: нитрат натрия (5... 15 г/л), хлорид натрия (1...10 г/л), хлорид аммония (1...15 г/л), трилон Б (1...5 г/л), концентрированная серная кислота (1...20 г/л), глицерин (1...15 г/л), масло Индустриальное 12 (5... 100 г/л), средства "Удача" и "Е" (5...20 г/л).

Точность при ЭХО оценивалась на основе применения специально разработанного рисунка маски, позволявшего оценить точность копирования элементов различных геометрических размеров, при этом точность обработки оценивалась посредством фактора направленного анодного растворения (ФНАР), который определялся как:

ФНАР=М, (2)

где к - глубина анодного растворения, /- подтравливание под маску.

Экспериментальных исследования процесса МДО, производились на установке функционирующей в гальваностатическом режиме, и позволявшей реализовывать напряжения до 250 В и токи до 40 А.

Рис. 6. Схема электролизера установка струйной ЭХО

Экспериментальные исследования процесса лазерного термоупрочнения проводились на установке ЛТУ-200 на основе СО2-лазера непрерывного излучения ЛГП-200, который имел следующие технические характеристики: длина волны 10,6 мкм; диапазон изменения мощности излучения 5... 100 Вт; модовый состав излучения - . Эксперименты по ЛТУ проводились на экспериментальных образцах из

стали 65Г.

Испытания на износ производились на машине трения, основанной на базе токарного станка С1Е61ВМ. В качестве истирающего элемента применялся ролик диаметром 30 мм, покрытый чертежной бумагой.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния электрофизикохимических воздействий на технико-экономические и эксплуатационные характеристики фасонных полиграфических инструментов (точность изготовления, твердость, шероховатость, износотойкость и формы профилей рабочих поверхностей).

Экспериментальные исследования ЭХО с анодными диэлектрическими масками. Установлено, что течение электролита параллельно поверхности анода приводит к большему подтраву под маску (погрешности обработки) со стороны течения электролита - до 90 % по сравнению с противоположной стороной. Разность подтравов с противоположных сторон маски устранена за счет режима струйного течения электролита перпендикулярно плоскости анода, поскольку в этом режиме электролит распространяется вдоль плоскости анода во все стороны с одинаковой скоростью.

Достигнутая величина ФНАР при обработке по традиционной схеме (МЭЗ полностью заполнен электролитом) равна 1,3, при струйном течении электролита ФНАР=1,8. Эти величины ФНАР не позволяет получать пробельные элементы шириной менее 0,5 мм и глубиной более 0,15...0,2 мм с достаточной для фасонных инструментов точностью.

Применение схемы с добавкой в электролит эмульсии и схемы с солевой пассивацией поверхности анода в комплексе со струйным течением электролита привело к увеличению ФНАР.

Рис. 7.3ависимость ФНАР от концентрации углеводорода

Установлено, что ФНАР при струйной ЭХО с содержанием в электролите эмульсии, зависит от содержания углеводорода в электролите. ФНАР увеличивается с повышением концентрации углеводорода до определенного предела, (для условий проведения экспериментов - ФНАР=2,6 при концентрации углеводорода 6,8%) затем, после прохождения максимума, ФНАР снижается (рис. 7). Снижение ФНАР с дальнейшим увеличением концентрации углеводорода связано со снижением устойчивости эмульсии в электролите.

Установлено, что ФНАР при обработке с солевой пассивацией поверхности анода зависит от скважности тока и скорости течения электролита: с увеличением скорости течения электролита от 1 до 6 м/с, ФНАР уменьшается с 7,5 до 2 за счет затрудненности наступления солевой пассивации анода (высока скорость отвода катионов от поверхности электрода). Выявлено, что при скважности тока более критической (для исследованных условий критическая

скважность равна 1,6... 1,8), локализация за счет солевой пассивации анода не повышается - за время паузы тока, на аноде полностью исчезает солевая пленка.

Характерные величины ФНАР для различных способов ЭХО приведены на

рис. 8.

Установлен различный характер профилей пробельных элементов шириной более 1 мм при ЭХО по различным схемам. При обработке с солевой пассивацией анода профиль дна пробельного элемента плоский (рис. 96) в отличие от остальных способов (рис. 9а).

Рис. 8 Характерные величины ФНАР для различных видов ЭХО. 1 - в полностью заполненном электролитом МЭЗ; 2 - струйная: 3 -струйная с добавкой в электролит эмульсии; 4 - струйная с солевой пассивацией анода

а) б) в)

Рис. 9 Профиль пробельного элемента после ЭХО: а,б - ширина 2 мм, в - ширина 0,8 мм; а - профиль при обработке по всем способам кроме солевой пассивации, б - профиль при обработке с солевой пассивацией; в - все схемы.

Экспериментальные исследования процесса ЛТУ. Установлено, что зависимость микротвердости поверхности экспериментальных образцов от скорости сканирования излучением поверхности заготовки и плотности мощности имеет нелинейных характер. При максимальной плотности мощности, которую позволяла реализовать установка (124 Вт/мм2) зависимость микротвердости от скорости сканирования имеет экстремальный характер (рис. 10).

Рис. 10 Зависимость микротвердости поверхности от скорости сканирования излучением поверхности

Выделены 4 зоны, соответствующие различным типам воздействия лазерного излучения на поверхность заготовки при термоупрочнении (рис. 10):

- зона проплавления поверхности: искажается геометрия, увеличивается шероховатость поверхности; микротвердость поверхности возрастает от 330 до 520 НУ с увеличением скорости сканирования излучением поверхности детали от 50 до 400 мм/мин;

- зона оплавления поверхности: искажается геометрия фасонной поверхности и не искажается геометрия плоской поверхности, шероховатость не увеличивается; в этой зоне находится максимум микротвердости; НУ=516...536, У=400...510 мм/мин;

- зона без оплавления поверхности; НУ=490...516, У=510...530 мм/мин;

- зона неэффективного воздействия из-за недостатка мощности излучения, НУ<490, У>530 мм/мин.

Рекомендовано проводить закалку рабочих элементов фасонных инструментов в диапазоне скоростей сканирования поверхности заготовки излучением лазера 510...520 мм/мин, достигаемая микротвердость поверхности при этом 500...516 НУ.

Экспериментальные исследования процесса МДО фасонных инструментов из магниевых сплавов. Установлено, что формирование оксидно-керамического покрытия на заготовках из магниевых сплавов влияет на их геометрию. Относительное ис-

кажение геометрии заготовки уменьшается с ростом размеров ее элементов: от 20% для элементов шириной 0,2 мм до 3% для элементов шириной 1,4 мм.

Выявлено, что зависимости скорости роста ОКП и величины шероховатости от плотности тока и времени обработки в исследованных диапазонах параметров близки к линейным.

Выявлено, что зависимость шероховатости поверхности ОКП от его толщины в исследованных диапазонах параметров имеет нелинейный характер (рис. 11), что согласуется с предсказаниями теории.

Поэтому для формирования ОКП с шероховатостью поверхности менее 5 мкм Кг, на магниевом сплаве МА2-2Мпч, необходимо получения покрытия толщиной менее 20 мкм.

Трибологические испытания. В результате экспериментальных исследований установлено, что упрочнение рабочих поверхностей фасонных инструментов в значительной мере повышает их износостойкость.

Нанесение ОКП на инструменты из сплава МА2-2Мпч существенно повышает их износостойкость - до 28 раз (износ снизился с 5,6 мг до 0,2 мг на 104 циклов испытания). Нанесение покрытия из твердого никеля на инструменты из меди М1 повышает износостойкость до 1,5 раза (с 0,3 мг до 0,2 мг на 104 циклов испытания). Лазерная закалка повышает износостойкость в 1,5 раза по сравнению с закалкой в печи (с 0,15 до 0,1 мг, рис. 12).

6 -

Рис. 12. Износ инструментов по массе (после 104 циклов испытания) Образцы некоторых изготовленных фасонных инструментов приведены на рис.

20 40 «0 в0 100

Ь, мкм

Рис. 11 Зависимость шероховатости поверхности оксидного слоя при МДО от его толщины И

в)

Рис 13 Образцы изготовленных специальных инструментов а) клише из меди М1, б) клише из сплава МА2-2Мпч с нанесенным оксидно-керамическим покрытием, в) фрагмент высечного ножа из стали 65Г

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические рекомендации по дополнению и замене воздействий на электрофи-зикохимические в современной технологии изготовления специальных инструментов

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1 Проведен анализ эксплуатационных параметров специальных инструментов, свойств инструментальных материалов, технологий их изготовления Установлено, что применяемые традиционные технологии изготовления не обеспечивают достаточной износостойкости инструментов, часто являются экологически опасными

2 Обоснована последовательность электрофизикохимических воздействий дополняющая или заменяющая воздействия в традиционной технологии изготовления специальных инструментов для повышения эксплуатационных и технико-экономических параметров (повышение износостойкости инструментов и снижение экологической опасности технологии изготовления)

3 Выполнены теоретические исследования по выбору эффективных технологических схем электрохимического формообразования, лазерного термоупрочнения

рабочих поверхностей стальных фасонных инструментов, образования шероховатости оксидно-керамического покрытия на магниевых сплавах. В результате этих исследований обоснована эффективность применения ЭХО с солевой пассивацией анода для заготовок из меди М1, лазерного термоупрочнения рабочих поверхностей стальных высечных ножей, а также диапазоны рабочих параметров процесса МДО для образования покрытия минимальной шероховатости. Рекомендованы параметры процессов ЭХО, МДО и ЛТУ.

4. Разработана комплексная методика проведения экспериментальных исследований влияния технологических параметров ЭХО, ЛТУ и МДО на технико-экономические и эксплуатационные характеристики полиграфических фасонных инструментов. Комплексная методика позволяла оценить формы профилей рельефов инструментов и качество их поверхностей (шероховатость, микротвердость, износостойкость), влияние электрических и гидродинамических параметров на точность ЭХО.

5. Создано экспериментальное оборудование МДО и для ЭХО (с верхним расположением анода, с вариантами струйной подачи электролита перпендикулярно аноду или с набрызгиванием электролита на анод).

6. Проведены экспериментальные исследования по электрохимическому формированию профилей специальных инструментов, лазерному термоупрочнению стальных и микродуговому оксидированию магниевых инструментов. Разработаны схемы ЭХО, повышающие точность копирования рисунка диэлектрической маски. Показано, что схема с солевой пассивацией анода повышает точность копирования рисунка диэлектрической анодной маски до 4 раз при обработке меди М1. Повышена микротвердость фасонной поверхности инструментов из стали 65Г до 516 НУ, нанесено износостойкое оксидно-керамическое покрытие на инструменты из магниевых сплавов, исследованы искажение геометрических размеров инструмента и способы понижения шероховатости покрытия.

7. Установлено, что в результате лазерного термоупрочнения, износостойкость инструментов из стали 65Г повысилась до 1,5 раз; в результате нанесения гальванического покрытия на инструмент из меди М1, износостойкость повысилась до 1,5 раз; в результате нанесения оксидно-керамического покрытия износостойкость инструментов из сплава МА2-2Мпч повысилась до 28 раз.

7. Результаты работы были использованы для разработки технологических рекомендаций для изготовления печатных пластин и высечных ножей. Показано, что дополнение или замена воздействий на электрофизикохимические в традиционной техноло! ии изготовления специальных инструментов приводит к повышению технико-экономических и эксплуатационных параметров (износостойкость, микротвердость поверхностей, снижение экологической нагрузки на персонал и окружающую среду).

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Любимов В.В., Сундуков В.К., Громов ЕА Повышение износостойкости полиграфического инструмента / Известия ТулГУ. Серия Электрофизикохимические воздействия на материалы. - Тула: ТулГУ. - 2002 г., с. 105-108

2. Любимов В.В., Сундуков В.К., Громов ЕА Электрохимическое формирование инструмента для полиграфии / Материалы Международной научно-технической конференции "Современная электротехнология в промышленности центра России". - Тула: ТулГУ, 4-5 июня 2002 г. - с. 154-160.

»17942

3. Любимов В.В., Сундуков В.К., Громов Е.А Изготовление инструмента для полиграфии электрофизикохимическими методами / Материалы IV Международной научно-технической конференции "Современная элекгро1ехполо1ия и промышленности центра России". - Тула: ТулГУ, 29 октября 2002 г. - о. 62-66

4. Любимов В.В., Сундуков В.К., Громов Е.Л. И ¡учение с> рунных режимов течения электролита на электрохимическое формование полиграфического инструмента / Известия ТулГУ. Серия Олектрофизикочнмические кендейепши на мшсриа-лы. - Гула: ТулГУ. - 2003 г., с. 69-78

5. Любимов В.В., Сундуков В.К., Громов Е А. Формирование полиграфических инструментов методами электрофизикохимической обраб<лки / Материалы VI Международной научно-технической конференции "Современная злеетротехнология в промышленности центра России". - Тула: ТулГУ, 3 июня 2003 г.- с. 131-137

6. Любимов В.В., Сундуков В.К., Громов Е.А. Лазерное термоупрочнение полиграфического инструмента / Материалы Всероссийской научно-(схнической конференции "Современная электротехнология в промышленности центра России". -Тула: ТулГУ, 28 октября 2003 г.- с. 213-219

7. Громов Е.А. Микродуговое оксидирование панелей, деталей летательных аппаратов из магниевых сплавов / XXIX Гагаринские чтения. Тезисы Международной молодежной научной конференции. Москва, 8-11 апреля, 2003 г. М.: МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2003. т.5,131 е., с. 108-109

8. Громов Е.А. В Модель формирования шерочоваюыи МДО-покрытня на сплавах магния / Современная электротехнология в промышленности центра России // Труды VII региональной научно-технической конференции. Тула, 2 июня 2004 г. -Тула: ТулГУ, 2004 г. - 220 е., с. 150-155.

9. Любимов В.В., Сундуков В.К., Громов Е.А. Экспериментальное исследования формирования МДО-покрытия на сплаве МА2-2Мпч в КР+КОН электролите / Современная электротехнология в промышленности центра России // Труды VII региональной научно-технической конференции. Тула, 2 июня 2004 г. - Тула: ТулГУ, 2004 г.-220 е., с. 16 М 67.

Подписано в печать 24.09.04. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага типографская. Офсетная печать. Усл. печ. л. 1,1. Усл. кр.-отт. 1,1. Уч.изд л. 1.0. Тираж 100 экз.

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр. Ленина,92. Кафедра «Физико-химические процессы и технологии»

РНБ Русский фонд

12639

ВВЕДЕНИЕ.

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Виды операций с использованием специальных инструментов.

1.2 Конструкции специальных инструментов.

1.2.1 Систематизация профилей рельефов рабочих поверхностей специальных инструментов.

1.2.2 Высечные инструменты.

1.2.3 Печатные инструменты.

1.3 Общая характеристика инструментальных материалов.

1.4 Способы формообразования рельефов рабочих поверхностей специальных инструментов.

1.4.1 Способы обработки с использованием механической энергии.

1.4.2 Способы обработки с использованием тепловой энергии.

1.4.3 Способы обработки использованием химической энергии.

1.5 Способы упрочнения рабочих поверхностей специальных инструментов.

1.5.1 Термообработка рабочих поверхностей инструментов.

1.5.2 Легирование рабочих поверхностей инструментов.

1.5.3 Нанесение износостойких покрытий на рабочие поверхности инструментов.

1.5.4 Пластическое деформирование.

1.6 Выводы по главе I. Цель работы и задачи исследования.

II ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЯЗИ "ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОБРАБОТКИ -ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕЦИАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ". 2.1 Выбор рациональной последовательности электрофизикохимических воздействий при формообразовании и упрочнении рабочих поверхностей специальных инструментов.

2.2 Моделирование гидродинамических параметров ЭХО.

2.3.1 Моделирование электрических полей при струйной ЭХО.

2.3.2 Моделирование электрических полей при ЭХО с солевой пассивацией анода.

2.3.3 Моделирование плотностей тока при ЭХО с добавкой в электролит эмульсии.

2.4 Моделирование лазерного термоупрочнения стальных специальных инструментов.

2.5 Модь формирования шероховатости оксидно-керамических покрытий на магниевых сплавах.

III. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Общая характеристика комплексной методики проведения экспериментальных исследований.

3.2 Методика проведения экспериментальных исследований ЭХО.

3.2.1 Материалы и предварительная подготовка образцов.

3.2.2 Нанесение диэлектрических масок.:.

3.2.3 Оценка локализующей способности ЭХО.

3.2.4 Оценка качества поверхности.

3.2.5 Экспериментальное оборудование.

3.2.6 Составы электролитов для ЭХО.

3.2.7 Обработка результатов исследований ЭХО.

3.3 Методика проведения экспериментальных исследований лазерного термоупрочнения.

3.3.1 Экспериментальные образцы и предварительная подготовка поверхностей.

3.3.2 Проведение экспериментов лазерного термоупрочнения.

3.3.3 Измерение микротвердости поверхности.

3.3.4 Экспериментальное оборудование.

3.3.5 Обработка результатов экспериментальных исследований лазерного термоупрочнения.

3.4 Методика проведения экспериментальных исследований микродугового оксидирования.

3.4.1 Экспериментальные образцы и предварительная подготовка поверхностей.

3.4.2 Формирование оксидно-керамических покрытий.

3.4.3 Оценка качества поверхностей оксидно-керамических покрытий и искажение геометрии экспериментальных образцов.

3.4.4 Экспериментальное оборудование.

3.4.5 Обработка результатов экспериментальных исследований процесса микродугового оксидирования.

3.5 Механическая обработка.

3.6 Методика проведения трибологических испытаний.

3.6.1 Оборудование и схема трибологических испытаний.

3.6.2 Обработка результатов трибологических испытаний.

3.7 Выводы по главе III. IV. КОМПЛЕКСНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ СВЯЗИ "ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОБРАБОТКИ - ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕЦИАЛЬНЫХ

ИНСТРУМЕНТОВ".

4.1 Электрохимическое формирование профилей специальных инструментов.

4.1.1 Исследования влияния гидродинамики протекания электролита на точность ЭХО.

4.1.2 Исследования локализующей способности струйной ЭХО.

4.1.3 Исследования формы профилей рельефов при струйной ЭХО. 129 ' V 4.1.4 Исследования шероховатости поверхностей при ЭХО.

4.2 Исследования лазерного термоупрочнения стальных специальных инструментов. ф 4.3 Исследования МДО специальных инструментов из магниевых сплавов.

4.4 Трибологические испытания.

4.5 Практическая реализация и разработка рекомендаций формованию рабочих поверхностей специальных инструментов с применением электрофизикохимических воздействий.

В машиностроительной и полиграфической промышленности большой объем выпускаемой продукции требует износостойких специальных инструментов (в частности полиграфических), способных выдержать большие тиражи, а большая номенклатура разнообразной продукции - быстрой их смены, в том числе высечных (для высечки неметаллических уплотнений, прокладок, этикеток, упаковки и так далее), тиснильных (для тиснения шильдиков, плакатов). Для защиты от подделок в последнее время применяют топографические марки и товарные знаки. Это требует также постоянного обновления специальных инструментов (матриц для тиснения голографических изображений, как плоских, так и объемных). Под специальными понимаются инструменты, характеризующиеся нетиповой формой (фасонные печатные и тиснильные пластины, гибкие и жесткие высечные ножи) и специфическими свойствами материалов из которых они изготовлены (сплавы меди, магния, цинка, свинца, а также стальные).

Задача создания новых методов формообразования и упрочнения специальных инструментов, решение которой позволит создавать в том числе уникальные объекты (нежесткие вырубные элементы, объемные матрицы для тиснения голографических изображений и так далее), является весьма актуальной.

Повышение требований, предъявляемых к качеству деталей с точки зрения улучшения точности и качества поверхности при их обработке, заставляет технологов и исследователей искать пути их обеспечения. Одними из наиболее перспективных являются методы электрофизикохимической размерной обработки (ЭФХО). Основными преимуществами метода ЭФХО является отсутствие износа инструмента, высокое качество обработанной поверхности, высокая производительность и другие. Современное оборудование для электрохимической, электроэрозионной, ультразвуковой, ионно-плазменной, вакуумной, лазерной и комбинированной обработки, представляет возможность разработки технологий изготовления специальных инструментов (в частности для полиграфии) с использованием электрофизикохимических воздействий.

На основании вышеизложенного целью настоящей работы является повышение эксплуатационных и технико-экономических параметров (твердость, износостойкость рабочих поверхностей, экологическая нагрузка при изготовлении) специальных инструментов (на примере полиграфических инструментов) на основе применения электрофизикохимических воздействий.

Актуальность исследований подтверждается Госконтрактом № Л0048/1650.

Работа состоит из следующих основных частей: 1) анализ современного состояния вопроса; 2) теоретические исследования влияния электрофизикохимических воздействий на технико-экономические и эксплуатационные параметры специальных инструментов 3) комплексная методика проведения экспериментальных исследований; 4) комплексные экспериментальные исследования взаимосвязи «технологические параметры обработки - характеристики специальных инструментов».

Положениями, выносимыми на защиту, являются:

1. Установленные закономерности взаимодополнения и сочетания электрофизикохимических воздействий (анодное растворение, лазерное тепловое воздействие, микродуговое оксидирование) на геометрию, микротвердость, шероховатость и износостойкость рабочих поверхностей специальных инструментов.

2. Результаты экспериментальных исследований влияния электрохимической обработки, микродугового оксидирования и лазерного термоупрочнения на точность изготовления и качество поверхности (шероховатость, микротвердость).

3. Методика выбора последовательности электрофизикохимических воздействий, учитывающая свойства материала и направленная на улучшение эксплуатационных и технико-экономических параметров специальных инструментов.

4. Технологический регламент получения рельефов специальных инструментов из меди Ml и стали 65Г методом электрохимической обработки с анодными диэлектрическими масками, нанесения оксидно-керамического покрытия на инструменты из сплава МА2-2Мпч методом микродугового оксидирования, лазерного термоупрочнения инструментов из стали 65Г.

5. Способ формообразования рельефов специальных инструментов из меди методом электрохимической обработки с анодными диэлектрическими масками и солевой пассивацией поверхности анода.

6. Способ формообразования рельефов специальных инструментов методом струйной электрохимической обработки с анодными масками и добавкой в электролит эмульсии из поверхностно-активных веществ и углеводородов.

Работа выполнена на кафедре «Физико-химических процессов и технологий» и лаборатории «Электрофизических и электрохимических методов обработки» им. Ф.В. Седыкина Тульского государственного университета.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору В.В. Любимову, научному консультанту д.т.н., профессору В.К. Сундукову, а также всем сотрудникам кафедры и лаборатории за помощь, поддержку и полезные замечания при выполнении работы.

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

8. Результаты работы были использованы для разработки с технологических рекомендаций для изготовления печатных пластин и высечных ножей. Показано, что дополнение или замена воздействий на электрофизикохимические в традиционной технологии изготовления специальных инструментов приводит к повышению технико-экономических и эксплуатационных параметров (износостойкость, микротвердость поверхностей, снижение экологической нагрузки на персонал и окружающую среду).

161

1. Аверьянов Е.Е. Справочник по анодированию. - М.: Машиностроение, 1988. - 224 с.

2. Аверьянов Е.Е. Плазменное анодирование в радиоэлектронике. — М.: Радио и связь, 1983. 80 с.

3. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. Учебник для химико-технол. специальностей вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Высш. шк.,. 1975.- 560 с.

4. Бартл Д., Мудрох О. Технология химической и электрохимической обработки поверхностей металлов /Пер. с чешек. М.: Гос. научн.-техн. Изд. ма-шиностр. лит-ры, 1961. - 712 с.

5. Бахвалов Г.Т., Биркган Л.Н., Лабутин В.П. Справочние гальваностега. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Гос. научно-техническое изд-во лит-ры по черной и цветной металлургии, 1954. - 654 е.: ил., библиография с. 649-650.

6. Белкин М.М., Иванов А.Ю. Фотополимерные печатные формы. В помощь рабочему-полиграфисту. Москва: Книга, 1987. — 128 с.

7. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности. — Учеб. пос. для вузов. В 2-х частях. Ч. 2. М.: Высш. шк., 1982. - 304 с.

8. Березин Б.И. Полиграфические материалы. — М.: 1969. — 386 с.

9. Березин Б.И. Полиграфические материалы: Словарь-справочник /Под ред. Д.П. Татиева. М.: Книга, 1978. - 336 с.

10. Бигелис В.М. Влияние лазерного излучения на кинетику электроосаждения и свойства селеновых покрытий / Электрохимия, 1994, т. 30, №2, с. 206-210

11. Великих B.C., Гончаренко В.П., Романенко А.В., Терентьев В.Ф. Влияние лазерной закалки на механические свойства стали 45 / Физика и химия обработки материалов, 1983, №3, с. 21-25.

12. Виноградов Г.А. Полиграфическое производство. Введение в полиграфию. М.: Книга, 1973. - 272 с.

13. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. М.: Машиностроение. 1987. - 304 с.

14. Волков Ю.С., Лившиц А.Л. Введение в теорию размерного формообразования электрофизико-химическими методами. Киев: Вища школа, 1978. -118 с.

15. Высокоскоростное электрохимическое формообразование / Давыдов А.Д., Козак Е. М.: Наука, 1990. - 272 с.

16. Вячеславов П.М., Волянюк Г.А. Электролитическое формование. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1979. - 198 с.

17. Вячеславов П.М., Шмелева Н.М. Методы испытания электролитических покрытий. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1977. - 88 с.

18. Гаврилин В.И. Формирование защитных характеристик поверхностей алюминиевых сплавов методом микродугового оксидирования / дис. канд. техн. наук. Тула, 2003 — 146 с. /ТулГУ/

19. Головин В.А. Технология холодной штамповки выдавливанием. М.: Машиностроение, 1970. - 152 с.

20. Горленко О.А., Михеенко Т.А. Свойства поверхностей упрочненных лазерных обработкой /Физика и химия обработки материалов, 1983, №6, с. 18-23

21. ГОСТ 18296-74. Обработка пластическим деформированием. Термины и определения. М, 1974. - 10с.

22. Грилихес С.Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов / Под ред. П.М. Вячеславова. Изд. 5-е, перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1983,- 101 с.

23. Гусев В.Э., Козлова Е.К., Портягин А.И. О роли термоградиентных явлений в лазерной электрохимии / Квантовая электроника, т. 14, № 2, 1987, с. 323-327.

24. Давыдов А.Д. Лазерно-электрохимическая обработка металлов / Электрохимия, 1994, т. 30, № 8, с. 965-976.

25. Дамаскин Б.Б. Адсорбция органических соединений на электродах /АН СССР; Ин-т электрохимии; Б.Б. Дамаскин, О.А. Петрий, В.В. Батраков. -М.: Наука, 1968.-334 с.

26. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику. Учеб. пособие для вузов. Под. ред. А.Н. Фрумкина. М.: Высш. шк., 1975.-416 с.

27. Де Барр А.Е., Оливер Д.А. Электрохимическая обработка /Пер. с англ. Румянцева Е.М. и др. -М.: Машиностроение, 1973 — 184 с.

28. Дикусар А.И., Келоглу О.Ю., Ющенко С.П. Моделирование эволюции формы полости в тонком слое металла при электрохимической микрообработке частично-изолированной поверхности / Электрохимия, 1999 г., т.35, №6, с. 724-729.

29. Международной научно-технической конференции. Тула. 4-5 июня 2002 г. Тула: ТулГУ, 2002 г. 470 е., с. 94-106

30. Дикусар А.И., Мустянэ А.Н. Электрохимическое формообразование в условиях частичной изоляции анодной поверхности. Скорость растворения в области границы с изоляцией. / Электрохимия, 1994 г., т. 30, №4, с. 483-489.

31. Думпе В.Э. Электроэрозионная обработка деталей. Киев: Техника, 1975.- 144 с.

32. Ефимов И.О., Кривенко А.Г., Бендерский В.А. Лазерная активация никелевого электрода / Электрохимия, т. 29, вып. 9, 1988, с. 1176-1180

33. Ефимов И.О., Кривенко А.Г., Бендерский В.А. Лазерная активация металлических электродов / Электрохимия, т. 29, вып. 9,1988, с. 1181-1186

34. Ефремов С.В. и др. Глубокая печать / Ефремов С.В., Смругач В.А., Дубинская В.А. — М.: Сов. Россия, 1961.

35. Завестовская И.Н., Игошин В.И., Шишковский И.В. Моделирование лазерной закалки сталей с учетом тепловых, кинетических и диффузионных процессов /Физика и химия обработки материалов, 1989, №5, с. 50-56

36. Захаркин С.И. Электрохимическая размерная обработка при сверхмалых межэлектродных зазорах / дис. канд. техн. наук. Тула, 2002 — 154 с. /ТулГУ/

37. Иванов А.В. Вариант системного выбора рациональных условий осаждения многослойных ионно-плазменных покрытий титана и TiN/ дис. канд. техн. наук. Тула, 1997 - 210 с. /ТулГУ/

38. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. М.: Радио и связь, 1986. - 232 с.

39. Каримов А.Х., Клоков В.В., Филатов Е.И. Методы расчета электрохимического формообразования. Казань: Изд. Казанского университета, 1990.-388 с.

40. Клоков В.В., Садыков З.Б. Исследование прекращения электрохимического формообразования / Электронная обработка материалов, 1981, №2, с. 3-6

41. Клоков В.В., Садыков З.Б., Хайрутдинов P.M., Шишкина Т.В. Исследование электрохимической обработки поверхности с нанесенным фоторезистом / Электронная обработка материалов, 1984 г., №1, с. 10-14.

42. Клоков В.В. Электрохимическое формообразование. Казань: Изд. Казанского университета, 1984. - 80 с.

43. Клоков В.В., Садыков З.Б. О расчете финишного электрохимического формообразования / Прогрессивные методы обработки деталей летательных аппаратов и двигателей: Межвузовский сборник. Куйбышев, 1983, с. 105-113.

44. Коваленко B.C. Лазерная технология: Учебник. К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. - 280 с.

45. Коваленко B.C. и др. Упрочнение и легирование деталей машин лучами лазера /Коваленко B.C., Головко Л.Ф., Черненко B.C. К.: Тэхника, 1990.- 192 с.

46. Коган В.А. Справочник по металлам и сплавам для полиграфистов. М.: Изд-во "Книга", 1976 г. 193 с.

47. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1992. - 432 с.

48. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. М.: Машиностроение, 1985.-496 с.

49. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов. / Леонтьев П.А., Чеканова Н.Т., Хан М.Г. М.: Металлургия, 1986 г. - 142 с.

50. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн 7. Лазерная резка металлов: Учеб. Пособие для вузов / Григорьянц А.Г., Соколов А.А.; Под ред. Гри-горьянца А.Г. М.: Высш. Шк., 1988. - 127 с.

51. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн 3. Методы поверхностной лазерной обработки: Учеб. Пособие для вузов / Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н.; Под ред. Григорьянца А.Г. М.: Высш. Шк., 1988. - 191 с.

52. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн 6. Основы лазерного термоупрочнения сплавов: Учеб. Пособие для вузов / Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н.; Под ред. Григорьянца А.Г. М.: Высш. Шк., 1988. - 159 с.

53. Лапатухин B.C. Способы печати. Проблемы классификации и развития. М.: Книга, 1976. - 272 с.

54. Любимов В.В., Сундуков В.К., Громов Е.А. Повышение износостойкости полиграфического инструмента /Известия Тульского государственного университета. Серия Электрофизикохимические воздействия на материалы. -Тула: ТулГУ. 2002 г., с. 105-108

55. Любов Б.Я. Диффузионные процессы в неоднородных твердых телах (обзор) /Физика и химия обработки материалов, 1976, №2, с. 77-102

56. Магниевые сплавы. Справочник в 2 т. М.: Металлургия, 1978.

57. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. Учебник для вузов / Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: "МИСИС", 2001. - 416 с.

58. Методы и средства упрочнения деталей машин концентрированными потоками энергии / Семенов А.П., Кови И.Б., Петров И.М. и др. РАН, Ин-т машиноведения им. А.А. Благонравова; МНТК "Надежность машин". М.: Наука, 1992.-404 с.

59. Мишенин Д.И. Электрохимическая размерная обработка методом обката при сверхмалых межэлектродных зазорах в пленке электролита / дис. канд. техн. наук. Тула, 2003 - 148 с. АГулГУ/

60. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под ред. Дж. М. Поута и др.; Пер. с англ. Мышкина Н.К. и др.; Под ред. Углова А.А. М.: Машиностроение, 1987 г. - 424 с.

61. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учеб. пос. — 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1991.-448 с.

62. Мороз И.И. Электрохимическое обработка металлов. М.: Машиностроение, 1969. — 208 с.

63. Мороз И.И. Электрохимическое формообразование по методу прямого копирования. -М.: ЭНИМС, 1977. 145 с.

64. Московии Л.И., Омарин В.И. Фотохимическое фрезерование. — М.: Машиностроение, 1978. 93 с.

65. Наумов В.А. Введение в кинетику процессов травления печатных пластин. М.: Изд-во МГУП, 2000. - 474 с.

66. Немодрук А.А., Безрогова Е.В. Фотохимические реакции в аналитической химии. М.: Химия, 1972. 168 с.

67. Никитенко НИ. Сопряженные и обратные задачи тепломассоперено-са. Киев: Наук. Думка, 1988. - 240 с.

68. Ноткина Н.М., Яцков П.А. Технология фотомеханических процессов. Изд 2-е, перераб. и доп. — М.: Книга, 1980 г. 336 с.

69. Орлов В.Ф., Чугунов Б.И. Электрохимическое формообразование. -М.: Машиностроение, 1990. 239 с.

70. Основы повышения точности электрохимического формообразования / Под ред. Мороза И.И., АН МССР, Ин-т прикл. физики. Кишинев: "Штиин-ца", 1977.-152 с.

71. Основы теории и практики электрохимической обработки металлов и сплавов. М.: Машиностроение, 1981. - 263 с.

72. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости /Пер. с англ. под ред. В.Д. Виленского. — М.: Энергоатомиздат, 1984.-150 с.

73. Подпрядухин П.А. Технология печатных процессов. — М.: Книга, 1968.-362 с.

74. Подураев В.Н., Камалов B.C. Физико-химические методы обработки.- М.: Машиностроение, 1973. 346 с.

75. Полянский Н.Н. Технология полиграфического производства. Основы полиграфии. Москва: Книга, 1980г. - 200 с.

76. Попов В.П. Общий курс полиграфии. Изд. 3-е, Ленинград: Гизлег-пром, 1947.-472 с.

77. Размерная электрическая обработка металлов: Учеб. Пособие. / Б.А. Артамонов, А.Л. Виницкий, Ю.С. Волков, А.Л. Глазков. Под ред. А.В. Глазьева.- М.: Высшая школа, 1978. — 336 с.

78. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловы процессы в технологических системах: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

79. Роуч. П. Дж. Вычислительная гидродинамика /Пер. с англ. В.А. Гущина, В.Я. Митницкого; Под ред. П.И. Чушкина. М.: Мир, 1980. - 616 с.

80. Садаков Г.А. Гальванопластика. — М.: Машиностроение, 1987 288с.

81. Самарский А.А. Теория разностных схем. 3-е изд. испр. - М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 161 с.

82. Семионов А.А., Коган В.А. Полиграфическое металловедение. М.: Изд-во "Книга", 1968. 298 с.

83. Седыкин Ф.В., Филин В.И., Орлов Б.П. Изменение шероховатости поверхности в зависимости от интенсивности процесса электрохимической обработки /Электронная обработка материалов, №2, 1966, с. 22-27

84. Седыкин Ф.В., Филин В.И. К теории обрабатываемости материалов концентрированными потоками энергии /Размерная электрохимическая обработка металлов: Материалы второй всесоюзной научно-технической конференции, Тула, ТулПИ, 1969, с. 12-21

85. Сенькин Е.Н. и др. Основы теории и практики фрезерования материалов / Сенькин Е.Н., Истопин В.Ф., Журавлев С.А. JL: Машиностроение, Ленинг. отд-ие, 1989. - 102 с.

86. Серянов Ю.В., Рябкин В.Б., Сурменко Л.А. Лазерное травление меди в растворе азотной кислоты / Электрохимия, т.29, вып. 7, 1988, с. 911-915

87. Серянов Ю.В. Кинетика лазерного электроосаждения сплава олово-висмут на медные катоды прямоугольной, цилиндрической и шаровой формы/Защита металлов, т. 30, №3, 1992. с. 462-466

88. Серянов Ю.В. Влияние локальной температуры на кинетику лазерного электроосаждения олова /Электрохимия. Т.26, вып.2, 1990. с. 148-154

89. Синяков. Н.И. Технология изготовления фотомеханических печатных форм: Уч. для студ. вузов. М.: Книга, 1966. - 368 с.

90. Скорчелетти В.В. Теоретическая электрохимия. Изд. 4-е, испр. и доп. Л: Химия, 1974. - 568 с.

91. Смоленцев В.П., Садыков З.Б., Клоков В.В. Локализация рабочей зоны при электрохимической обработке деталей / Прогрессивные методы обработки деталей летательных аппаратов и двигателей. Казань, 1979, с. 45-51.

92. Смоленцев В.П. Электрохимическое маркирование деталей. — М.: Машиностроение, 1983. 68 с.

93. Спиридонов Н.В. и др. Плазменные и лазерные методы упрочнения деталей машин / Спиридонов Н.В., Кобяков О.С., Куприянов И.Л.; Под ред. Ча-чина B.C. Мн.: Выш. шк., 1998. - 155 с.

94. Справочник по электрофизическим и электрохимическим методам обработки / Под общ. ред. В.А. Волосатова. Л.: Машиностроение, 1985. -178 с.

95. Степанов Г.А. Деформация металлов при накатывании резьбы. -Вестник машиностроения, 1965, №8, с.55 -56

96. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1977. 423 с.

97. Сундуков В.К. Технологические основы высокоэффективного электролитического формования /дис. докт. техн. наук. Тула, 1998. — 433 с. /ТулГУ/

98. Теплопроводность твердых тел: Справочник / А.С. Охотин и др. Под. ред. А.С. Охотина. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 320 с.

99. Теплофизические свойства веществ: Справочник/ Под. ред. Н.Б. Вар-гафтика М.: Государственное энергетическое издательство, 1956. - 368 с.

100. Технологические инструкции по фотоцинкографским процессам. М.: Изд-во "Исскуство", 1963. 224 с.

101. Технологические основы электротермической обработки стали / Гриднев В.Н., Мешков Ю.Я., Ошкадеров С.П., Черненко Н.Ф. К.: Наукова Думка, 1977.-208 с.

102. Технология полиграфического производства. В 2-х кн. / Учеб. Пос. для полигр. Вузов. М.: Искусство, 1963. - 488 с.

103. Узилевский В.А. Электроника, телевидение и связь в полиграфии. Ленинград: Лениздат, 1981. 312 с.

104. Физические основы электротермического упрочнения стали. / Гриднев В.Н., Мешков Ю.Я., Ошкадеров С.П., Трефилов В.И. К.: Наукова Думка, 1973.-336 с.

105. Филин В.И. Научные основы малооперационной и малоотходной электротехнологии формообразования применительно к обработке деталей автоматических машин / дис. докт. техн. наук. Тула, 1983. - 354 с. /ТулПИ/

106. Фотеев Н.К. Технология электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1980. - 184 с.

107. Хоботова Э.Б. Образование химически осажденных и анодных пассивирующих слоев CuCl при травлении меди / Электрохимия, 1999, т. 35, №5, с.641-644

108. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 390 с.

109. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. Л.: Машиностроение, 1972. - 240 с.

110. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение, Лениегр. Отд-ие, 1982.-248 с.

111. Черненко В.И. и. др. Поручение покрытий анодно-искровым электролизом / Черненко В.И., Снежко Л.А., Папанова И.И. Л.: Химия, 1991.-128 с.

112. Электроискровое легирование металлических поверхностей. М.: "Наукова думка", 1976. - 219 с.

113. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов. Справочник. — М.: Машиностроение, 1982. 400 с.

114. Электрохимическая обработка в технологии производства радиэлек-тронной апппаратуры / Седыкин Ф.В., Дмитриев Л.Б., Любимов В.В., Струков В.Д. М.: Энергия, 1980. - 136 с.

115. Электроэрозионная обработка металлов / Мицкевич М.К., Бушик А.И., Бакуто И.А. и др. Под ред. Некрашевича И.Г. — Мн.: Наука и техника, 1988.-216 с.

116. Эрлихман Ф.М. и др. Электрохимическое формообразование при наличии изоляции в межэлектродном промежутке / Электрическая размерная обработка материалов, №2, 1988 г., с. 5-8

117. Доступно на www.marvlock.ru

118. Доступно на www.naukaspb.ru138. Доступно на www.roland.ru

119. Доступно на www.sodic-euro.ru

120. Доступно на www.tompve.redline.ru

121. Доступно на turner.narod.ru