автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности изготовления сложно-профильных деталей из легированных сталей методом электролитно-плазменного полирования

004616582

На правах рукописи

Новиков Виталий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЖНО-ПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ.

Специальность 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук.

- 9 ЛЕК 2010

Санкт-Петербург - 2010

004616582

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ушомирская Людмила Алексеевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Васильков Дмитрий Витальевич;

кандидат технических наук, профессор Жуков Эдуард Леонидович.

Ведущая организация: ОАО «Завод Двигатель» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 21 декабря 2010 года в 1800 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.26 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г.Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, корпус 1, аудитория 41.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан " ноября 2010 года

Ученый секретарь

, *

диссертационного совета Д 212.229.26 // л

' " if

д.т.н., проф. y^tf. Uic Ушомирская Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Обеспечение эффективности изготовления конкурентоспособной по основным показателям надежности и долговечности продукции в настоящее время может быть получено за счет постоянного совершенствования технологии обработки заготовок, в том числе технологии финишной обработки. Для получения требуемого качества поверхностного слоя деталей, имеющих наружные сложнопрофильные поверхности, существует целый ряд различных методов обработки, в том числе электрохимическое, химическое, механическое полирования, однако, получить заданную шероховатость поверхности трудоемко, дорогостояще, а зачастую затруднительно, особенно используя экологически чистые методы обработки материалов. В этом отношении электролитно-плазменное полирование (ЭПП) является высокоэффективным процессом обработки изделий из токопроводящих материалов в нетоксичных средах, имеющий более высокие экологические и экономические показатели. Наиболее близким, по получаемым параметрам качества обрабатываемой поверхности и технологическому оснащению, к ЭПП является электрохимическое полирование, но в отличие от него, в электролитно-плазмешюй технологии используются экологически безопасные водные солевые растворы, которые в несколько раз дешевле токсичных кислотных компонентов. Однако, отсутствие в литературе зависимостей изменения качества обрабатываемой поверхности от параметров процесса ЭПП, моделей распределения температуры в поверхностных слоях заготовки и диапазона рациональных режимов обработки легированных сталей затрудняет разработку технологических процессов с применением метода ЭПП и установлении режимов работы оборудования.

Цель и задачи работы. Целыо работы является повышение производительности полирования сложнопрофильных поверхностей заготовок, обеспечивающие требуемое качество поверхностного слоя методом электролитно-плазменного полирования за счет установления взаимосвязей параметров процесса.

Поставленная цель может быть достигнута посредством решения следующих основных задач:

1. Определить состав газовой анодной оболочки, образующейся при ЭПП вокруг обрабатываемой поверхности, позволяющий оценить физическую модель съема материала с анода-заготовки.

2. Разработать математическую модель влияния разрядного источника тепла на изменения в поверхностном слое металла заготовки с учетом зависимостей параметров процесса.

3. Создать целенаправленное формирование параметров качества (уровня шероховатости, структуры, микротвердости, остаточных напряжений) поверхностного слоя сложнопрофилыюй детали, обрабатываемой методом электролитно-плазменного полирования при рациональных режимах процесса.

4. Установить закономерности взаимосвязей параметров ЭПП с производительностью обработки сложнопрофильных поверхностей при условии получения требуемого качества обрабатываемой поверхности.

5. Разработать на основании полученных взаимосвязей параметров ЭПП оптимизационную модель управляющих параметров процесса, выявляющую рациональные режимы и определяющую заданную шероховатость поверхности. Проведение проверочных промышленных испытаний ЭПП деталей с наружными сложными поверхностями.

Методологическая основа исследований. Теоретические и экспериментальные исследования ЭПП базировались на научных положениях теории теплофизики для твердых, жидких и газообразных сред, с использованием математического аппарата, современной вычислительной, измерительной, регистрирующей и анализирующей аппаратуры и оригинальных методик, в том числе по спектральному анализу ГАО и калориметрированию тепловых потоков при ЭПП. Исследование параметров шероховатости проводились с помощью профилометра MarSurf PSI (Германия); измерение остаточных напряжений в поверхностных слоях заготовок - методом неразрушающего контроля на аппаратуре СИТОН-ТЕСТ (Россия); для исследования поверхностных слоев в работе использован металлографический комплекс Axio Observer Zlm (Германия); микротвердость в локальных объемах поверхностного слоя измеряли по ГОСТ 9450-76 на микротвердомере MicroMet 5103 (Германия); изучение молекулярного (ионного) состава газовой анодной оболочки проводилось на спектрографе ФЭУ-14. Эксперименты проводились по многофакторным планам, а полученные результаты обрабатывались вероятностно-статистическими методами с использованием программы MathCAD 14. Математическое моделирование проводилось на базе программного пакета для конечно-элементного моделирования ANSYS 11, а также оригинальной программы, написанной на языке программирования Visual Basic, реализующей оптимизационную модель ЭПП. Теоретические положения работы подтверждены достоверными данными, полученными в лабораторных условиях.

Новые научные результаты. К основным научным результатам, полученным впервые и защищаемых автором, относятся:

1. Установлен состав газовой анодной оболочки (ГАО), образующейся вокруг обрабатываемой поверхности.

2. Разработана математическая модель распределения температурного поля в поверхностных слоях металла обрабатываемой детали при разрядом воздействии ГАО, прогнозирующая наличие двух подвижных фаз с температурами выше температуры кипения и плавления, а также фазы твердого тела с наличием отпущенного слоя материала, что подтверждается проведенным исследованием топографии обработанной ЭПП поверхности, выявившим наличие лунок диаметром порядка 0,6-0,8 мкм.

3. Выявлена квадратичная закономерность влияния таких параметров ЭПП как величина рабочего напряжения, концентрация

электролита и время обработки на уровень шероховатости обрабатываемой поверхности, одновременно процесс ЭПП не влияет на структуру полируемой поверхности. Влияние на уровни микротвердости и остаточных напряжений составляет не более 10%.

4. Установлены линейные закономерности взаимосвязи величины рабочего напряжения, концентрации электролита и времени обработки с производительностью полирования сложнопрофильных поверхностей. Получено повышение производительности в 2 раза.

5. Проведена оптимизация процесса ЭПП по себестоимости и производительности обработки, определен диапазон рациональных режимов обработки легированных сталей.

Основные положения, выносимые на защиту:

- конечно-элементная модель распределения температурного поля в поверхностных слоях металла обрабатываемой детали;

- эмпирическая модель целенаправленного снижения уровня шероховатости и формирования качества поверхностного слоя обрабатываемой детали с учетом параметров процесса полирования;

- модель оптимизации процесса ЭПП и алгоритм выбора рациональных режимов полирования легированных сталей, основанные на предлагаемых экспериментальных зависимостях;

- полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований на основе предложенных моделей и испытаний в производственных условиях.

Практическая ценность. Разработанный процесс электролитно-плазменного полирования сложных поверхностей деталей из легированных сталей типа «Турбинная лопатка», «Лопасть», «Лопатка водомета» позволяет обеспечить высокую производительность финишной обработки поверхностного слоя и повысить производительность в 2 раза по сравнению с методом электрохимического полирования.

Построенная оптимизационная модель процесса ЭПП выявила диапазоны рациональных режимов обработки деталей из легированных сталей. Выполненные производственные испытания подтвердили результаты проведенных исследований.

Использование метода электролитно-плазменного полирования расширяет возможности финишной обработки сложнопрофильных деталей, т.к. позволяет, сохраняя качество поверхности, обрабатывать сложные поверхности деталей из легированных сталей, за существенно меньшее время обработки.

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и использованы при подготовке профилирующих дисциплин на ММФ ГОУ ВПО «СПбГПУ».

Личный вклад автора состоит в совместных с научным руководителем постановке задач диссертации, а также проведении научных экспериментов, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме и самой диссертационной работы.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались в период с 2004-2009 гг. на ряде научно-технических конференций: XXXIII Неделя науки СПбГПУ. Межвузовская научно-техническая конференция (Санкт-Петербург, 2004); XXXV Неделя Науки СПбГПУ: Всероссийская межвузовская научно-технической конференция студентов и аспирантов (Санкт-Петербург, 2005-2008); XXXV11I международная научно-практическая конференция «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2009); докладывались на расширенных заседаниях кафедры «Технология конструкционных материалов и материаловедения» ММФ СПбГПУ (Санкт-Петербург, 2005-2010)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1], [5], [6] - обоснование целесообразности использования предложенного метода для обработки сложных поверхностей деталей из легированных сталей; [2] -математическая модель влияния теплового источника на обрабатываемую поверхность; [3], [4], [8], [9] - анализ и установление связей технологических режимов с параметрами качества обработанной поверхности; [7] -обоснование структуры оборудования; [10] - разработка модели оптимизации и выявления рациональных режимов обработки деталей из легированных сталей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии из 97 наименований и содержит 148 машинописных страниц основного текста, 82 рисунка, 21 таблицу и 9 приложений, которые подтверждают работоспособность разработанных моделей и эффективность предложенных решений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования; раскрыта его научная новизна и практическая значимость; представлены основные положения, выносимые на защиту; кратко описана структура работы.

Первая глава носит обзорный характер и раскрывает современное состояние вопроса по финишной обработке сложнопрофильных поверхностей. Различным аспектам решения задач исследования процессов, возникающих на границе металл-электролит посвящены работы И.Я. Ясногородского, B.C. Мураса, В.Д. Сапрыкина, Б.Р. Лазаренко, С.П. Фурсова, A.C. Парасаданяна, В.Н. Дураджи, В.В. Баковец, П.Н. Белкина, В.И. Ганчара, Б.П. Саушкина, H.A. Амирхановой, P.A. Мирзоева, Ушомирской J1.A., Веселовского А. П. и др. Рассматриваются физико-химические основы электролитно-плазменной обработки (ЭПО). Приведены основные условия проведения процесса электролитно-плазменного

полирования. В литературных источниках рассматривались модели прианодной зоны, а также для оценки проводимости парогазовой анодной оболочки и расчета теплового потока из неё в электролит, составы электролитов для полирования различных сталей, однако, остается не исследованным состояние газовой оболочки. Имеются данные по анодному нагреву и его влиянию на фазовый состав поверхности, но эти модели и расчеты рассматривали процесс электролитно-плазменпой обработки с точки зрения химико-термического воздействия на обрабатываемый материал, когда площадь катода соразмерна или меньше площади анода и температура его достигает температуры плавления стали или рекристаллизации. Для электролитно-плазменного полирования характерно значительное превосходство площади катода над площадью анода. По имеющейся информации, для случая, когда площадь поверхности катода много больше площади поверхности анода, нет данных о зависимостях, позволяющих формировать требуемое качество обработанной поверхности, что не позволяет эффективно применять метод электролитно-плазменного полирования, также отсутствуют данные о полном спектре основных параметров, определяющих качество поверхностного слоя и сведения о рациональных режимах обработки легированных сталей. Выявлено отсутствие количественных характеристик передачи энергии в анод-заготовку и состава газовой анодной оболочки. Экспериментальные исследования электролитной плазмы являются важным и сложным объектом исследований. Сложность проведения измерений связана с интенсивностью процессов теплообмена и высокой степенью концентрации энергии. Процессы, протекающие при ЭПП, характеризуются значительным градиентом температуры, что существенно ограничивает применение существующих экспериментальных исследований ввиду значительной погрешности при обработке экспериментальных результатов.

Во второй главе содержится описание используемых в работе оборудования, материалов и методов исследования поверхностных слоев детали после ЭПП.

Экспериментальное исследование отдельных процессов производилось с применением оригинальных методик и современного оборудования: исследование параметров шероховатости проводились с помощью профилометра MarSurf PS 1 (Германия); измерение остаточных напряжений в поверхностных слоях заготовок - методом неразрушающего контроля на аппаратуре СИТОН-ТЕСТ (Россия); для исследования поверхностных слоев в работе использован металлографический комплекс Axio Observer Zlm (Германия); микротвердость в локальных объемах поверхностного слоя измеряли по ГОСТ 9450-76 на микротвердомере MicroMet 5103 (Германия); изучение молекулярного (ионного) состава газовой анодной оболочки проводилось на спектрографе ФЭУ-14. Эксперименты проводились по многофакторным планам, а полученные результаты обрабатывались вероятностно-статистическими методами с использованием программы MathCAD 14. Математическое моделирование проводилось на базе

программного пакета для конечно-элементного моделирования ANSYS 11, а также оригинальной программы, написанной на языке программирования Visual Basic, реализующей оптимизационную модель ЭПП.

В третьей главе рассмотрены газовая анодная оболочка (ГАО), образующаяся при обработке вокруг анода-заготовки, и тепловые потоки, существующие при ЭПП.

Наличие определенных спектральных линий говорит о присутствии в газе конкретного атома, длины волн могут быть представлены формулой:

Я = Яю.«2/(«2- 4),

где А» - некоторая постоянная, а п принимает значения последовательного целого ряда чисел.

Спектральное исследование в водном растворе сернокислых натрия и калия показало, что газовая область состоит из смеси ионов кислорода и водорода и катионов щелочных металлов (натрия и калия), т.е. получены спектрограммы составляющих ее элементов (рис. 1), из которых видно, что на определенной длине волны (ось абсцисс) происходит излучение при возбуждении соответствующего атома.

б)

мГ "10

plus та

ю

Длина волны, А Длина волны, А

Рис. 1. Спектрограммы выявленных атомов: а - водорода; б - калия; в - натрия; г - кислорода

Наличие определенных элементов в составе ГАО позволило подтвердить теорию о преобладании разрядного механизма съема материала

в физической моделе ЭПП, поскольку присутствие других атомов и молекул (анионов соли, гидроксидов и др.), присущих электрохимическим реакциям не выявлено.

На основании экспериментов по калориметрированшо тепловых потоков из ГАО в анод-заготовку и электролит, а также проведенных расчетов теплового баланса процесса ЭПП построена, конечно-элементная модель распределения теплового поля при воздействии разряда на поверхность заготовки. Для чего была рассчитана мощность одного разряда, воздействующего на вершину гребешков шероховатости обработанной поверхности. Энергию разряда можно определить из уравнения баланса энергии:

^разряд = ^разряд ' ^ = № ГЛО ~ ЯГЛО-акод ~ Ч ГЛО-жидкоат) ' ^ , (1)

где \VptapЯй - плотность энергии разряда, Вт/м2; Цгло-ш,„л - плотность теплового потока в заготовку-анод (данная величина была определена экспериментально в процессе калориметрирования и составляет 38000 Вт/м2); дгло-жчдкостн -плотность теплового потока в электролит, Вт/м2; и>гло - плотность энергии в газовой анодной оболочке, Вт/м2; 5 - обрабатываемая площадь, м2.

При электролитно-плазменном полировании газовую анодную оболочку можно рассматривать как пленочное кипение жидкости на поверхности металлического анода. Плотность теплового потока при пленочном кипении можно оценить по формуле:

Я ГЛО-жидкость ~ ^ ' ('н ~~ ^ ж ) 5 (2)

где !„ - температура газовой анодной оболочки, °С; !ж - температура жидкости, °С; а - коэффициент теплоотдачи,

Температура газовой анодной оболочки принимается равной температуре анода, исходя из теплового равновесия между анодом и оболочкой. Из проведенного эксперимента температура анода составляет 112°С, температура электролита - 95°С. Коэффициент а находится из выражения:

а = М/ • Лж / X, (3)

где Ш - число Нуссельта; Х- характеристическая длина анода, м; Хж -коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м-°С).

Ми = 0,25 ■ [(X3 • Ршр ■ (рж - р,шр) ■ 8 ■ Ср тр)/ цшр ■ Х,и,рГ, (4)

где рпар=0,5863 - плотность пара, кг/м3; ^9,8 - ускорение свободного падения, м/с2; рж=970,5 - плотность жидкости, кг/м3; Срш,р=2060 - удельная теплоемкость пара, Дж/(кг-°С); р„ар=1,27-10~5 - динамическая вязкость пара, Н-с/м"; Хт:р=0,0246 - коэффициент теплопроводности пара, Вт/(м-°С). Плотность энергии в парогазовой оболочке равна:

VrAo=WrAo'S = RrAO-I2/S, (5)

где Ягао - сопротивление газовой анодной оболочки, Ом; I- сила тока, А. Тогда с учетом (2) - (5) выражение (1) принимает значение:

Мрюряд=221Вт

Рис. 2. Распределение теплового поля в обработанной поверхности

Основываясь на профилограмме поверхности до полирования, создана конечно-элементная модель обрабатываемой поверхности размером (0,1x0,8) мм2, в самой верхней точке которой приложена рассчитанная мощность разряда. Размер конечно-элементной сетки изменяется от 0,01 мм в основании до 0,00005 мм на профиле шероховатости.

761.855 1431 2100 2770

427.23 1096 1766 2435 3104

008 мкм

испаренный металл

Распределение температуры в поверхности (рис. 2), полученное с помощью программы конечно-элементного моделирования ANSYS 11, показало, что значение температуры в поверхности изменяется от температуры 3100°С до 92°С, то есть за время 10"6-10"4 с существует три температурные зоны: выше 2800°С - испарение, от 2800-1400°С - жидкая фаза и ниже 1400°С - твердое тело. Таким образом, 0,08 мкм - это испаренпый металл, 0,4 мкм - расплавленный и 1,42 мкм - отпущенный слой материала, вследствие чего наблюдается 10% изменение микротвердости полированного материала. Данные модели подтверждаются, полученными на атомно-силовом сканирующем зондовом микроскопе Solver P47-PRO, снимками поверхности образца из стали 12Х18Н10Т после ЭПП (обработка производилась в течении 30 секунд в водном растворе сернокислого натрия концентрацией 0,2 моль/л при напряжении 300 В). На полированной поверхности (рис. 3 выноска А) явно прослеживается наличие лунок, диаметром порядка 0,6-0,8 мкм, от разрядного воздействия. Рассчитанное по построенной модели время, необходимое для достижения шероховатости Ra=0,14 мкм, составляет порядка 175 с, а экспериментальное время - 190 с, что подтверждает адекватность модели.

ит

Рис. 3. Топография поверхности после ЭПП

В четвертой главе представлены результаты исследований качества поверхности, образующейся в результате ЭПП. Построена эмпирическая модель зависимости величины шероховатости Яа обработанной поверхности от параметров процесса ЭПП. Для построения данной модели был спланирован и реализован многофакторный эксперимент. В качестве образцов использовались элементы лопасти гребного винта из стали 3 ОХ ГС А. Исходя из проведенных однофакторных экспериментов, влияющими факторами на технологические показатели обработки, были выбраны следующие: концентрация электролита и, моль/л; время обработки г, мин; величина рабочего напряжения и, В в диапазонах: п = 0,1-0,5 моль/л; г = 3-9 мин; II = 240-360 В. Полученный регрессионный полином зависимости Яа от параметров процесса выглядит следующим образом:

Яа(и, п, г) = 0,931 + 1,36 • п + 0,028 ■ т +1,5 • пг +1,4 • 10'3 • и ■ п ■ х +1,2 ■ 10"5 • V1 --6,210"3-г/ и-4,2-10 4-С/-г-5-10-3-г7 + 3,3-10-3-гг2

Исследования показали, что параметр шероховатости Яа уменьшается (Яа=0,17 мкм) как с ростом величины рабочего напряжения от 240 В до 306 В, так и с увеличением концентрации электролита от 0,1 моль/л до 0,23 моль/л (что видно из графиков, представленных на рис. 4 а, б, в).

Дальнейшее увеличение напряжения и концентрации (на участке 306360 В и 0,23-0,5 моль/л) приводит к увеличению величины шероховатости (Яа=0,39 мкм), поскольку происходит изменение топографии обрабатываемой поверхности, образуется новый ландшафт поверхности со

11

своим уровнем шероховатости, то есть для дальнейшего снижения шероховатости необходимо обработать большее количество вершин неровностей. Увеличение времени обработки также ведет к уменьшению шероховатости, однако, эффективность полирования снижается, то есть за единицу времени снимается меньший слой материала, поскольку частота следования разрядов остается постоянной для одной и той же обрабатываемой площади поверхности, а) б) в)

Рис. 4. Зависимость величины Ла от параметров процесса ЭПП:

а) Яа=/(п,т); б) Яа=/(п,11); в) Яа=/(и,т)

Исследовалось влияние ЭПП и на такие параметры качества поверхности как уровень остаточных напряжений, структуру и микротвердость поверхности после обработки. Результаты определения остаточных напряжений поверхностного слоя образцов из стали ЗОХГСА приведены на рис. 5.

В приповерхностной зоне наблюдаются напряжения сжатия порядка 70 МПа на глубине 6 мкм от поверхности, однако, их уровень в зависимости от параметров обработки (концентрация электролита, рабочего напряжения, времени обработки) изменяется в сторону уменьшения от 77 МПа до 25 МПа, относительно начального уровня 85 МПа. Общий характер распределения остаточных напряжений задается на стадии механической обработки и не изменяется после ЭПП (см. рис. 5: образец до ЭПП и образец, обработанный ЭПП при п=0,2 моль/л, 11=380 В, т=3 мин).

0 _|_|_| -^320 В-0,2 моль/л-3 мин

350 В-0,2 моль/л-3 мин -50-1 .. 380 В-0,2 моль/л-3 мин

£ -100

320 В-0,2 моль/л-5 мин

350 В-0,2 моль/л-5 мин

¡5,3" -150 -—380 В-0,2 моль/л-5 мин

, . . - 320 В-0,3 моль/л-5 мин

О) 4 ^ 4

т К "200 —350 В-0,3 моль/л-5 мин

Ф о. х '

™ га 0сп J —380 В-0,3 моль/л-5 мин

320 В-0,3 моль/л-3 мин -300 -I 350 в-0,3 моль/л-3 мин

-350

Расстояние от поверхности Ь, мкм

380 В-0,3 моль/л-3 мин образец до ЭПП

Рис. 5. Распределение значения остаточных напряжений в образцах из стали ЗОХГСА после ЭПП в растворе хлористого аммония при п=0,2-0,3 моль/л, 0=320-380 Б, т=3-5 мин

Металлографическим методом был исследован структурный состав поверхностных слоев обработанного материала, а также его микротвердость. Выявленные структуры поверхностных слоев и исходных материалов изображены на рис 6 соответственно (для рационального режима обработки -концентрация п электролита 0,2 моль/л, рабочее и напряжение 300 В, время х обработки 5 мин) и для предельных условий существования процесса ЭПП по одному из параметров (в данном случае величине рабочего напряжения, как наиболее влияющему на шероховатость обработанной поверхности). Как видно из представленных снимков структуры поверхности до и после обработки являются идентичными. Приповерхностная зона после ЭПП и исходная структуры низколегированной стали ЗОХГСА представляют собой мелкозернистую бейнитную структуру (смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида цементитного типа), структурой высоколегированной стали 12Х18Н10Т является аустенит с присутствием карбидов внутри аустенитного зерна и небольшим наличием карбонитридов.

Исследование изменения микротвердости стали ЗОХГСА после ЭПП показало, что значение величины микротвердости изменяется в пределах 10% по сравнению с исходным, регистрируемое изменение связано с температурным воздействием разрядов в процессе обработки, которое аналогично проведению такого вида термообработки металла как отпуск.

Суммируя полученные данные, можно констатировать, что после ЭПП свойства поверхностного слоя существенно не зависят от параметров технологического режима обработки, в частности от концентрации, времени обработки и величины рабочего напряжения, поскольку в ходе исследований

не выявлено изменений микроструктуры (что согласуется с представленной в главе 3 моделью распределения теплового поля в обработанной поверхности). Микротвердость поверхностного слоя и уровень остаточных напряжений изменяются в пределах 10%, что не оказывает существенного влияния на эксплуатационные характеристики обработанной поверхности.

а)__б)_

Рис. 6. Структура стали ЗОХГСА а) исходная (хЗОО) б) после ЭПП при и=300 В, т=9 мин, п=(),2 моль/л (х500)

Сравнительное исследование методов ЭХП и ЭПП показало, что при времени обработки до 10 мин процесс ЭПП является производительнее, поскольку за одинаковое время обработки (9 мин и при Ra„a4=l,5-1,3 мкм) достигается уровень шероховатости Ra=0,2 мкм (при ЭХП - 0,8 мкм). Величина съема (m) металла по массе (оценка производилась по наименьшей величине) больше при ЭПП (тш„=0,03 г/мин) в 2 раза по сравнению с ЭХП (тэхп=0,014 г/мин).

В пятой главе рассмотрена оптимизационная модель процесса ЭПП и приведены результаты промышленных испытаний данного метода.

В модели представлено прогнозирование величины параметра Ra в зависимости от параметров процесса ЭПП при соответствующих уровнях производительности и себестоимости. В качестве целевой функции при ЭПП принимается наименьшая технологическая себестоимость (С) или производительность (П) обработки при заданной величине среднеквадратичного отклонения профиля шероховатости поверхности. Процесс ЭПП рассматривался в виде технологической модели, представленной на рис. 7

По данным эмпирической модели произведен расчет целевой функции, результаты, которого сведены в соответствующие графики (см. рис 8 а-е) и по результатам математической обработки данных многофакторного эксперимента (см. глава 4) получен полином зависимости производительности обработки от параметров процесса ЭПП:

Я(С/, и,т) = 2,21 - 5,45 ■ и + 2,087 ■ г - 5 ■ и - r + 0.0167 • Í/ • и • г + 8,3 • 10~5 • Í7 • и — - 5 ■ 10~3 • (У ■ г - 2,5 • 10~3 • Í7

Физика-технологические Ьыходные параметры

Концентрация электролита п, моль/л Величина рабочего напряжения Ц В Начальная температура электролита Ь. 'С Химический состой электролита Время обработки г. мин Ориентация

Процесс

Обрабатываемый материал Исходная шероховатость обрабатываемой поверхности Наиа. мкм Площадь обрабатываемой поверхности ¡.см2

Рис. 7. Технологическая модель б)

— Температура заготовки Тз. 'С

— Электрохимические реакции

— Энергия разряда V, йж

— Состав электролита

— Осадок

— Шероховатость обр пов-ти Ко, мкм

— Производительность П. мкм/мин

— Структура пав. слоя

— Микротвердость

— Остаточные напряжения пов слоя

процесса ЭПП.

Рис. 8. Графики зависимости себестоимости (С) - а), б), в) и производительности (П) - г), д), е) от: концентрации электролита и величины рабочего напряжения - а), г); величины рабочего напряжения и времени обработки - б), д); концентрации электролита и времени обработки - в), е)

Напряжение

Зависимость величины производительности от данных параметров является линейной, то есть увеличение любого из них приведет и к увеличению производительности полирования, причем степень влияния каждого из данных параметров соразмерна степени влияния другого.

Результат построения оптимизационной модели реализован в программе, написанной на языке программирования Visual Basic и позволяющей проводить расчет, исходя как из минимальной себестоимости, так и максимальной производительности.

При ЭПП сложнопрофильных поверхностей при кривизне поверхности 30-50 мм на длине ~ 100 мм наблюдается разброс значений неравномерности шероховатости по параметру Ra: для выпуклой поверхности - 0,01-0,02 мкм; для вогнутой - 0,02-0,03 мкм; для плоской - 0,01-0,02 мкм (рис. 9). Таким образом, неравномерность при полировании плоских и выпуклых поверхностей не отличаются, а при полировании вогнутых значение неравномерности больше, что происходит из-за большей неравномерности толщины газовой анодной оболочки со стороны вогнутой поверхности, тогда как вдоль плоской и выпуклой поверхностей парогазовый слой более равномерен.

Рассмотрены ЭПП плоских и сложнопрофильных поверхностей и особенности существования ГАО при полировании неплоских поверхностей.

Выявлено, что в случае обработки наружных

неплоских поверхностей или поверхностей,

являющихся односвязными, тепло отводится в находящийся вокруг детали электролит, что позволяет стабильно существовать ГАО, и далее переходит в окружающую среду и расходуется на испарение электролита. При ЭПП внутренних неплоских поверхностей диаметром менее 50 мм, выделяемое ГАО тепловая энергия преобразует поверхностное кипение в пузырьковое на внутренней обрабатываемой поверхности, что препятствует стабильному существованию ГАО и отводу тепла при подобных условиях. Таким образом, обработку внутренних неплоских поверхностей рекомендуется проводить при соотношении диаметра внутренней поверхности к её длине не более 1:1.

Проведены соответствующие производственные испытания метода ЭПП на образцах из легированных сталей 20X13 и 15X11МФ с начальным уровнем параметра Ra = 2,5-0,4 мкм в водном растворе сернокислого натрия концентрацией 0,3 моль/л, температурой 95°С, рабочее напряжение

И вогнутая пов. до ЭПП ЕЗ вогнутая пов. после ЭПП

□ выпуклая пов. до ЭПП

□ выпуклая пов. после ЭПП И плоская пов. до ЭПП

Ш плоская пов. после ЭПП

1 2 3

группа образцов

Рис. 9. Изменение неравномерности шероховатости различных поверхностей

составляло 320 В, время обработки - 5 мин; достигнутое после ЭПП значение Яа = 1,1-0,1 мкм соответственно. В результате испытаний установлено, что применение метода электролитно-плазменного полирования изделий из легированных сталей существенно снижает долю ручного труда и увеличивает производительность обработки до 3 раз по сравнению с механическим полированием.

Основные результаты и выводы по работе.

Указанная выше цель работы была достигнута, при этом получены новые научные и практические результаты:

1. Определен состав газовой анодной оболочки, образующейся при ЭПП высоколегированной стали 12Х18Н10Т и состоящей из смеси ионов водорода, кислорода и катионов, применяемой в качестве электролита, соли, что подтверждает теорию о преобладании разрядного механизма съема материала в физической модели ЭПП, поскольку присутствие других атомов и молекул, необходимых для электрохимических реакций не выявлено.

2. Разработанная на основании калориметрирования тепловых потоков при ЭПП математическая конечно-элементная модель распределения теплового поля в обработанной поверхности выявила три температурные зоны: с температурой выше 2800°С - зона испарения, с температурой от 1400°С до 2800°С - зона плавления и зона твердого тела с температурой ниже 1400°С. Модель теплового поля позволяет оценить величину снимаемого материала (0,3-0,5 мкм) и время, необходимое для достижения требуемого уровня шероховатости полируемой поверхности, а также зону температурного влияния (-1,4 мкм), соответствующей отпущенному материалу, что подтверждается исследованием топографии обработанной ЭПП поверхности, выявившим наличие лунок диаметром порядка 0,6-0,8 мкм.

3. Установлен комплекс факторов и степень их влияния на изменение уровня шероховатости обработанной поверхности после ЭПП низколегированной стали 30ХГСА. Определено, что в диапазоне изменений величины рабочего напряжения 240-360 В, концентрации электролита 0,1-0,5 моль/л, параметр Ла достигает своего минимального значения Ка=0,17 мкм при -300 В и -0,3 моль/л соответственно. Неравномерность уровня шероховатости, наблюдаемая при полировании выпуклых поверхностей, меньше на 0,02 мкм, чем при полировании вогнутых, что происходит из-за большей неравномерности толщины газового слоя.

4. Определено влияние ЭПП на такие параметры качества поверхностного слоя как структура, микротвердость и напряжённо-деформированное состояние поверхностных слоев. Выявлено, что структура обработанной поверхности не изменяется в процессе ЭПП, микротвердость и уровень остаточных напряжений изменяются в пределах 10%, что не

оказывает существенного влияния на эксплуатационные характеристики обработанной поверхности.

5. Построена оптимизационная модель управляющих параметров процесса ЭПП (U - рабочее напряжений, В, п - концентрация электролита, моль/л, т - время обработки, мин), определяющих получение параметров шероховатости (Ra до 0,1 мкм) в заданных пределах при минимуме или максимуме целевой функции (технологической себестоимости или производительности процесса ЭПП соответственно). Выявлена область рациональных режимов применительно к ряду легированных сталей (Ra,ra4=l мкм), обеспечивающих максимальную производительность (П=2,6-103 мм/мин) и наименьшую себестоимость (С=147 руб/дм2) при заданных параметрах качества обрабатываемой поверхности (RaKOti=0,4 мкм).

6. В случае обработки наружных неплоских поверхностей или поверхностей, являющихся односвязными, тепло отводится в находящийся вокруг детали электролит, что позволяет стабильно существовать ГАО, и далее переходит в окружающую среду и расходуется на испарение электролита. При ЭПП внутренних неплоских поверхностей диаметром менее 50 мм, выделяемое ГАО тепловая энергия преобразует поверхностное кипение в пузырьковое на внутренней обрабатываемой поверхности, что препятствует стабильному существованию ГАО и отводу тепла при подобных условиях. Таким образом, обработку внутренних не плоских поверхностей рекомендуется проводить при соотношении диаметра внутренней поверхности к её длине не более 1:1.

7. Сравнительное исследования методов ЭХП и ЭПП показало, что при времени обработки до 10 мин процесс ЭПП производительнее в 2 раза. Полученное повышение производительности достигнуто за счет взаимосвязей параметров процесса ЭПП (величины рабочего напряжения, концентрации электролита, времени обработки). В результате производственных испытаний на ОАО «Завод турбинных лопаток» установлено, что применение метода электролитно-плазменного полирования сталей 20X13 и 15X11МФ существенно снижает долю ручного труда и увеличивает производительность обработки до 3 раз по сравнению с механическим полированием.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ:

1. J1.A. Ушомирская, В.И. Новиков. Полирование легированных сталей в нетоксичных электролитах при высоком напряжении // Металлообработка: научно-производственный журнал. - 2008. - № 1 (43). -С. 22-24.

2. J1.A. Ушомирская, А.И. Фоломкин, В.И. Новиков. Особенности чистовой обработки турбинных лопаток. // Металлообработка: научно-производственный журнал . - 2008. - № 4 (46). - С. 19-21.

3. Д.Е. Локтев, Л.А. Ушомирская, В.И. Новиков. Исследование параметров электролитно-плазменного полирования низколегированной стали методом планирования полного факторного эксперимента. // Металлообработка: научно-производственный журнал. - 2009. - № 5 (53). -С. 15-18.

4. Н.Б. Кириллов, С.Д. Васильков, В.И. Новиков. Исследование влияния электролитно-плазменного полирования на качество поверхностного слоя изделий из легированных сталей. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2010. - № 2-2 (100). - С. 130-135.

Публикации в других изданиях:

5. В.И. Новиков, Л.А. Ушомирская. Обработка фасонных поверхностей методом электролитно-плазменного полирования. // XXXIII Неделя науки СПбГПУ. Материалы межвузовской научно-технической конференции. - 2005. - Ч.Ш. - С. 95.

6. В.И. Новиков, B.C. Медко. Особенности методики исследования электролитно-плазменного полирования фасонных поверхностей. // XXXV Неделя Науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. - 2006. - Ч.Ш. - С. 79-80.

7. В.И. Новиков, В.Д. Самойленко, Л.А. Ушомирская. Особенности установки электролитно-плазменного полирования деталей типа «Лопатка». // XXXVI Неделя Науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. - 2007. - Ч.Ш. -С. 79-80.

8. В.И. Новиков, Л.А. Ушомирская. Исследование шероховатости поверхности сталей от параметров электролитно-плазменного полирования. // XXXV11 Неделя Науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. - 2008. - 4.IV. -С. 106-107.

9. В.И. Новиков, Н.В. Виноградова. Исследование структуры и микротвердости поверхностного слоя сталей после ЭПП. // XXXVII Неделя Науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. - 2008. - 4.IV. - С. 107108.

10. Д.Е. Локтев, В.И. Новиков, В.Д. Самойленко. Определение оптимальных технологических режимов электролитно-плазменного полирования сталей и сплавов. // XXXVIII международная научно-практическая конференция «Неделя науки СПбГПУ». Материалы докладов. -2009. - С. 40-42.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 12.11.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 6717Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ состояния проблемы полирования деталей машин, содержащих сложные поверхности.

1.1. Анализ методов полирования сложнопрофильных поверхностей.

1.1.1. Характер и методы описания сложных поверхностей.

1.1.2. Схемы и общая характеристика финишных методов обработки.

1.2. Электрофизические явления процесса электролитно-плазменной обработки.

1.3. Анализ параметров качества, получаемых при обработке различными финишными методами.

1.4. Анализ методов оптимизации параметров финишной обработки.

1.5. Выводы по главе.

2. Методика исследования ЭПП сложнопрофильных поверхностей.

2.1. Установка для электролитно-плазменного полирования.

2.2. Методика планирования полнофакторного эксперимента.

2.3. Методика исследования параметров качества поверхности.

2.3.1. Методика исследования шероховатости обработанной поверхности.

2.3.2. Исследование микроструктуры поверхностного слоя.

2.3.3. Методика исследования микротвердости.

2.3.4. Методика исследования остаточных напряжений.

2.4. Методика спектрально-оптического исследования рабочей зоны ЭПП.

2.5. Выводы по главе.

3. Исследование физико-химического механизма процесса ЭПП.

3.1. Спектрографическое исследование состава газовой анодной оболочки.

3.2. Калориметрирование тепловых потоков при ЭПП.

3.3. Расчет теплового баланса процесса ЭПП.

3.4. Конечно-элементная модель распределения теплового поля при разрядном воздействии в обрабатываемой поверхности.

3.5. Исследование поляризационных кривых ЭПП легированных сталей.

3.6. Выводы по главе.

4. Исследование параметров качества сложнопрофильных поверхностей после ЭПП.

4.1. Исследование зависимости среднеарифметического отклонения профиля шероховатости обработанной поверхности (Да) от параметров процесса.

4.2 Исследование влияния ЭПП на уровень остаточных напряжений.

4.3. Исследование структуры и микротвердости, обработанной

ЭПП поверхности.

4.4. Исследование возможностей электролитно-плазменного полирования сравнительно с электрохимическим полированием.

4.5. Выводы по главе.

5. Реализация результатов исследования параметров электролитно-плазменного полирования легированных сталей.

5.1 Определение оптимальных технологических режимов электролитно-плазменного полирования.

5.2 Расчет программы оптимизации параметров электролитно-плазменного полирования и рекомендации по режимам обработки легированных сталей.

5.3 Сравнительное исследование ЭПП плоских и сложнопрофильных поверхностей и особенности полирования неплоских поверхностей

5.4 Результаты производственных испытаний обработки легированных сталей.

5.5 Основные положения техники безопасности при работе на экспериментальной установке ЭПП.

5.6 Выводы по главе.

Актуальность. Обеспечение эффективности- изготовления конкурентоспособной по основным показателям^ надежности и долговечности продукции в настоящее время может быть получено за счет постоянного совершенствования технологии обработки заготовок, в том числе технологии финишной обработки. Для получения,требуемого качества! -поверхностного слоя деталей, имеющих наружные сложнопрофильные поверхности, существует целый ряд различных методов обработки, в том числе электрохимическое, химическое, механическое полирования, однако, получить заданную шероховатость поверхности трудоемко, дорогостояще, а зачастую затруднительно, особенно используя экологически чистые методы обработки материалов. В этом отношении электролитно-плазменное полирование (ЭГШ) является высокоэффективным процессом обработки изделий из токопроводящих материалов в нетоксичных средах, имеющий более высокие экологические и экономические показатели. Наиболее близким, по получаемым параметрам качества обрабатываемой поверхности и технологическому оснащению, к ЭПП является электрохимическое полирование, но в отличие от него, в электролитно-плазменной технологии используются экологически безопасные водные солевые растворы, которые в несколько раз дешевле токсичных кислотных компонентов. Однако, отсутствие в литературе зависимостей изменения качества обрабатываемой поверхности от параметров процесса ЭПП, моделей распределения температуры в поверхностных слоях заготовки и диапазона рациональных режимов обработки легированных сталей затрудняет разработку технологических процессов с применением метода ЭПП и установлении режимов работы оборудования.

Цель работы. Целью работы является повышение производительности полирования сложнопрофильных поверхностей заготовок, обеспечивающие требуемое качество поверхностного слоя методом электролитно-плазменного полирования за счет установления взаимосвязей параметров процесса.

Методологическая основа исследований. Теоретические и-экспериментальные исследования' ЭШ1 базировались на научных положениях теории теплофизикидля твердых, жидких и газообразных сред, с использованием математического аппарата, современной вычислительной, измерительной, регистрирующей и анализирующей аппаратуры и, оригинальных методик, в том числе- по спектральному анализу ГАО и калориметрированию тепловых потоков при 31111: Исследование параметров шероховатости проводились с помощью профилометра MarSurf PSI (Германия); измерение остаточных, напряжений в поверхностных слоях заготовок - методом неразрушающего контроля на аппаратуре СИТОН-ТЕСТ (Россия); для исследования поверхностных слоев в работе использован металлографический комплекс Axio Observer Zlm (Германия); микротвердость в локальных объемах поверхностного слоя измеряли1 по ГОСТ 9450-76 на микротвердомере MicroMet 5103 (Германия); изучение молекулярного (ионного) состава газовой анодной оболочки проводилось на спектрографе ФЭУ-14. Эксперименты проводились по многофакторным планам, а полученные результаты обрабатывались вероятностно-статистическими методами с использованием программы MathCAD 14. Математическое* моделирование проводилось на базе программного пакета для конечно-элементного моделирования ANS YS 11, а также оригинальной программы, написанной на языке программирования^ Visual Basic, реализующей оптимизационную модель ЭПП. Теоретические положения работы подтверждены достоверными данными, полученными в лабораторных условиях.

Новые научные результаты. К основным научным результатам, полученным впервые и защищаемых автором, относятся:

1. Установлен состав газовой анодной оболочки (ГАО), образующейся вокруг обрабатываемой поверхности.

2. Разработана математическая модель распределения температурного поля в поверхностных слоях металла обрабатываемой детали при разрядом: воздействии ГАО, прогнозирующая наличие двух подвижных; фаз с температурами выше температуры кипения и плавления, а также фазы твердого тела с наличием отпущенного1 слоя; материала; что подтверждается проведенным исследованием; топографии! обработанной ЭПП поверхности, выявившим наличие лунок диаметром порядка 0,6-0,8 мкм. . :

3. Выявлена квадратичная: закономерность влияния? таких параметров ЭПП как величина, рабочего напряжения, концентрация электролита и время обработки на уровень шероховатости обрабатываемой поверхности, одновременно^ процесс ЭПП не: влияет на, структуру полируемой поверхности. Влияние на уровни микротвердости и остаточных напряжений составляет не более 10%.

4. Установлены линейные закономерности; взаимосвязи величины, рабочего напряжения, концентрации электролита и времени обработки с производительностью полирования сложнопрофильных поверхностей.

• . Получено повышение производительности в 2 раза:. 5. Проведена оптимизация процесса ЭПП по себестоимости и производительности обработки, определен диапазон рациональных режимов обработки легированных сталей.

Основные положения, выносимые на защиту:

- конечно-элементная^ модель распределения температурного поля поверхностных слоях металла обрабатываемой детали;

-эмпирическая модель целенаправленного» снижения • уровня шероховатости и формирования, качества поверхностного слоя обрабатываемой детали с учетом параметровшроцесса полирования;

- модель оптимизации процесса ЭПП и алгоритм выбора рациональных режимов полирования легированных сталей,, основанные на: предлагаемых экспериментальных зависимостях;

-полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований на основе предложенных моделей и испытаний в производственных условиях.

Практическая ценность. Разработанный процесс электролитно-плазменного полирования сложных поверхностей деталей из легированных сталей типа «Турбинная лопатка», «Лопасть», «Лопатка водомета» позволяет обеспечить высокую производительность финишной обработки поверхностного слоя и повысить производительность в 2 раза по* сравнению с методом электрохимического полирования.

Построенная оптимизационная модель процесса ЭПП выявила диапазоны рациональных режимов обработки деталей из легированных сталей. Выполненные производственные испытания подтвердили результаты проведенных исследований.

Использование метода электролитно-плазменного полирования расширяет возможности финишной обработки сложнопрофильных деталей, т.к. позволяет, сохраняя качество поверхности, обрабатывать сложные поверхности деталей из легированных сталей, за существенно меньшее время обработки.

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и использованы при подготовке профилирующих дисциплин на ММФ ГОУ ВПО «СПбГПУ».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались в период с 2004-2009 гг. на ряде научно-технических конференций: XXXIII Неделя' науки СПбГПУ. Межвузовская научно-техническая конференция (Санкт-Петербург, 2004); XXXV Неделя Науки СПбГПУ: Всероссийская межвузовская научно-технической конференция студентов и аспирантов (Санкт-Петербург, 2005-2008); XXXVIII международная научно-практическая конференция «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2009); докладывались на расширенных заседаниях кафедры «Технология конструкционных материалов и материаловедения» ММФ СПбГПУ (Санкт-Петербург, 2005-2010)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1], [5], [6] - обоснование целесообразности использования предложенного метода для обработки сложных поверхностей деталей из легированных сталей; [2] -математическая модель влияния теплового источника на обрабатываемую поверхность; [3], [4], [8], [9] - анализ и установление связей технологических режимов с параметрами качества обработанной поверхности; [7] -обоснование структуры оборудования; [10] — разработка модели оптимизации и выявления рациональных режимов обработки деталей из легированных сталей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии из 97 наименований и содержит 148 машинописных страниц основного текста, 82 рисунка, 21 таблицу и 9 приложений, которые подтверждают работоспособность разработанных моделей и эффективность предложенных решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований решена важная научно-техническая задача повышения производительности полирования наружных сложнопрофильных поверхностей деталей из легированных сталей, обеспечивающего требуемое качество поверхности, посредством применения метода электролитно-плазменного полирования (ЭПП) за счет взаимосвязей параметров процесса.

Исследован. ионный состав газовой анодной оболочки, формирующийся вокруг обрабатываемой детали в процессе электролитно-плазменного полирования и частотные параметры разрядов, возникающих в данной оболочке.

Исследована величина теплового потока, воздействующего на обрабатываемую деталь. Построена модель распределения теплового поля в обрабатываемой поверхности, позволяющая оценить величину снимаемого материала и вероятную зону температурного влияния на поверхностные слои полированного металла.

Исследовано влияния основных параметров процесса ЭПП (величины рабочего напряжения, концентрации электролита, времени обработки) на параметры качества обработанной поверхности (изменения средне арифметического отклонения профиля шероховатости поверхности (Яа), структуры, микротвердости и уровня остаточных напряжений).

Построена оптимизационная модель, позволяющая определить рациональные режимы обработки легированных сталей. Создана «Программа оптимизации» для расчета этих режимов. Проведены промышленные испытания метода ЭПП.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие общие выводы:

1. Определен состав газовой анодной оболочки, образующейся при ЭПП высоколегированной стали 12Х18Н10Т и состоящей из смеси ионов водорода, кислорода и катионов, применяемой в качестве электролита, соли, что подтверждает теорию о преобладании разрядного механизма съема материала при ЭПП, поскольку присутствие других атомов и молекул, необходимых для электрохимических реакций не выявлено.

2. Построенная на основании калориметрирования тепловых потоков при ЭПП математическая конечно-элементная модель распределения теплового поля в обработанной поверхности выявила три температурные зоны: испарения, плавления и твердого тела. Модель теплового поля позволяет оценить величину снимаемого материала (0,3-0,5 мкм) и время, необходимое для достижения требуемого уровня шероховатости полируемой поверхности, а также зону температурного влияния (-1,4 мкм), соответствующей отпущенному материалу, что подтверждается исследованием топографии обработанной ЭПП поверхности, выявившим наличие лунок диаметром порядка 0,6-0,8 мкм.

3. Установлен комплекс факторов и степень их влияния на изменение уровня шероховатости обработанной поверхности после ЭПП низколегированной стали ЗОХГСА. Определено, что в диапазоне изменений величины рабочего напряжения 240-360 В, концентрации электролита 0,10,5 моль/л, параметр К.а достигает своего минимального значения Ка=0,17мкм при -300 В и ~0,3 моль/л соответственно. Неравномерность уровня шероховатости, наблюдаемая при полировании выпуклых поверхностей, меньше на 0,02 мкм, чем при полировании вогнутых, что происходит из-за большей неравномерности толщины газового слоя.

4. Определено влияние ЭПП на такие параметры качества поверхностного слоя как структура, микротвердость и напряжённо-деформированное состояние поверхностных слоёв. Выявлено, что структура обработанной поверхности не изменяется в процессе ЭПП, микротвердость и уровень остаточных напряжений изменяются в пределах 10%, что не оказывает существенного влияния на эксплуатационные характеристики обработанной поверхности.

5. Построена оптимизационная модель управляющих параметров процесса ЭПП (и - рабочее напряжений, В, п - концентрация электролита, моль/л, х - время обработки, мин), определяющих получение параметров шероховатости (Яа до 0,1 мкм) в .заданных пределах при минимуме или максимуме целевой функции (технологической себестоимости или производительности процесса ЭПП соответственно). Выявлена область рациональных режимов применительно к ряду легированных сталей (Яанлн= 1 мкм), обеспечивающих максимальную производительность (П=2,6-10"3 мм/мин) и наименьшую себестоимость (С=147 руб/дм2) при заданных параметрах качества обрабатываемой поверхности (Яако„=0,4 мкм).

6. В случае обработки наружных неплоских поверхностей или поверхностей, являющихся односвязными, тепло отводится в находящийся вокруг детали электролит, что позволяет стабильно существовать ГАО, и далее переходит в окружающую среду и расходуется на испарение электролита. При ЭПП внутренних неплоских поверхностей диаметром менее 50 мм, выделяемое ГАО тепловая энергия преобразует поверхностное кипение в пузырьковое на внутренней обрабатываемой поверхности, что препятствует стабильному существованию ГАО и отводу тепла при подобных условиях. Таким образом, обработку внутренних неплоских поверхностей рекомендуется проводить при соотношении диаметра внутренней поверхности к её длине не более 1:1.

7. Сравнительное исследования методов ЭХП и ЭПП показало, что при времени обработки до 10 мин процесс ЭПП производительнее в 2 раза. Полученное повышение производительности достигнуто за счет взаимосвязей параметров процесса ЭПП (величины рабочего напряжения, концентрации электролита, времени обработки). В результате производственных испытаний на ОАО «Завод турбинных лопаток» установлено, что применение метода электролитно-плазменного полирования сталей 20X13 и 15X11МФ существенно снижает долю ручного труда и увеличивает производительность обработки до 3 раз по сравнению с механическим полированием.

140

1. Хрульков В. А. Шлифование жаропрочных сплавов. М.: Машиностроение. -1964.-190 с.

2. Грилихес С.Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов. Л.: Машиностроение. 1983. - 101 с.

3. Шальнов В. А. Шлифование и полирование высокопрочных материалов. Л.: Машиностроение. 1972. - 346 с.

4. Радзевич С. П. Формообразование поверхностей деталей (Основы теории) Киев «Растан». 2001. - 592 с.

5. Дружинский И.А. Сложные поверхности. Математическое описание и технологическое обеспечение. Л.: Машиностроение: Ленингр. отд-ние. -1985.-263 с.

6. Стай-оп й. Компьютерное проектирование и производство. Под ред. Марьяновского С.Я. «Мир» СПб. -1998.-168с.

7. Идзон М.Ф. Механическая обработка лопаток газотурбинных двигателей. М.: Оборонгиз. 1963. - 316 с.

8. Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование. Теория и практика. Влияние на свойства металлов. Л.: Машиностроение. - 1987.

9. Грилихес С.Я. Электрохимическое полирование. Л.: Машиностроение. 1976.-205 с.

10. Щиголев П.В. Электролитическое и химическое полирование металлов.- М.: Издательство академии наук СССР. 1959. - 188 с.

11. Барон Ю.М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов. Л.: Машиностроение. 1986. - 172 с.

12. Приходько С.П. Магнитно-абразивная полирование с применением индукторов на постоянных магнитах. Афтореф. канд. дисс. на соиск. учен, степ. канд. техн. наук. Л.: ЛПИ. - 1983. - 20 с.

13. Саушкин Б.П., Атанасянц А.Г. Электроразрядные процессы в технологиях машиностроительное производства. // Металлообработка. -2006. №2.

14. Лазаренко Б.Р.,Фурсов С.П. Коммутация тока на границе металл-электролит. Кишинёв:АН БССР. 1971. - 76 с.

15. Ясногородский И.З. Нагрев металлов и сплавов в электролите. М.: Машгиз.- 1949. 128 с.

16. Мурас B.C. Автомат электролитического нагрева при обработке давлением. Минск: АН БССР,. 1960. - 58 с.

17. Дураджи В.Н., Парасаданян A.C. нагреем металлов в электролитной плазме. Кишинев «Штиинца». — 1988. 220 с.

18. Гайсип Ф.М., Сон Э.Е., Шакиров Ю.И. Объемный разряд в парогазовой среде между твердым и жидким электродами. М.: Издательство ВЗПИ. -1990. 92 с.

19. Лазаренко Б.Р., Дураджи Б.Н., Брянцев К.Б. О структуре и сопротивлении приэлектродной зоны при нагреве металлов в электролитной плазме // Электронная обработка материалов. 1980. - № 2. - С. 50-55.

20. Лазаренко Б.Р., Лазаренко Н.И. Прохождение электрического тока через электролиты // Электронная обработка материалов. 1978. - №1.

21. Баковец В. В. Плазменно-электролитическая анодная обработка металлов / В. В. Баковец, О. В. Поляков, И. П. Долговесова— Новосибирск: Наука. 1991.- 168 с.

22. Лазаренко Б.Р., Дураджи В.Н., Факторович A.A. Вольт-амперные характеристики электрического разряда между металлическим и электролитным электродами // Электронная обработка материалов. 1972. -№3.

23. Агроскин Я. 3., Жерновой А. И., Жуков В. В. К вопросу о свечении при прохождении электрического тока через электролиты // Электронная обработка материалов. — 1979. — № 5. — С. 14-15.

24. Шадрин С. Ю., Белкин П. Н. Расчет температуры анодного нагрева // Электронная обработка материалов. — 2002. — № 3. — С. 24-29.

25. Белкин П.П. Анодный нагрев в водных растворах // Вестник Костромского государственного педагогического университета. 1997. - № 4. -С. 55-58.

26. Белкин П.Н., Ганчар В.И., Товарков А.К. Теплообмен между анодом и парогазовой оболочкой при электролитном нагреве // Инженерно-физический журнал. 1986. - Т. 51. - № 1. - С. 154-155. Деп. в ВИНИТИ 20.02.86, per. № 1177-В 86.

27. Белкин П.Н., Белкин С.Н. Стабилизация парогазового слоя при анодном нагреве в растворах электролитов // Инженерно-физический журнал. 1989. - Т. 57. - № 1. - С. 159. Деп. в ВИНИТИ 06.02.89. per. №781-В 89.

28. Дураджи Б.Н., Брянцев К.Б. Распределение температуры при нагреве металлов электролитной плазмой // Электронная обработка материалов. — / 1978. —№ 1. —С. 53-56.

29. Белкин П.П., Ганчар В.IT. Прохождение тока через парогазовую оболочку при анодном электролитном нагреве // Электронная обработка материалов. 1988. - № 5. - С. 59-62.

30. Ушомирская JT.A., Веселовский А.П., Головицкий А.П., Куминов С.Е. Особенности развития электрического разряда при электролитно-плазменнм полировании // Металлообработка. 2006. - № 4. - с. 13-15.

31. Веселовский А.П., Кюбарсэп C.B., Ушомирская JI.A. Особенности электролитно-плазменной обработки металлов в нетоксичных электролитах // Металлообработка. 2002. - № 6. - с. 29-31.

32. Невьянцева Р.Р, Измайлова Н.Ф., Парфенов Е.В., Быбин A.A. Влияние физико-химического состояния поверхности образцов различной формы на колебания тока при электролитно-плазменной» обработке. // Физика и химия обработки материалов. — 2002. №2.

33. Кузенков С.Е. Особенности тлеющего разряда в процессе электролитно-плазменной обработки. // Металлообработка — 2002. №3.

34. Гончар В.Н., Товарков А.К. Образование паровой оболочки при прохождении тока через электролит // Электронная обработка материалов. -1991. -№ 1.

35. Патент ГДР (DD) N 238074 (AI), кл. С 25 F 3/16, опубликован 06.08.86.

36. Патент США (US) N 5028304, кл. В 23 НЗ/08, С 25 F 3/16, С 25 F5/00 опубликован 02.07.91.

37. Амирханова H.A., Белоногов В.А., Белоногова Г.У. Исследования закономерностей электролитно-плазменного полирования жаропрочного сплава ЭП-718. //Металлообработка-2003. № 6.

38. Патент RU 2373306 «Способ многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий из титана и титановых сплавов» Дата публикации заявки: 27.10.2008.

39. Патент РБ №8425 «Способ финишной плазменно-электролитной полировки изделий, преимущественно из высокоуглеродистых сталей и сплавов цинка.» Дата подачи заявки: 04.03.2004 г.

40. Патент РБ №7291 «Электролит для плазменно-электролитного полирования изделий из алюминия и его сплавов.» Дата подачи заявки: 20.05.2002 г.

41. Патент РБ №7570 «Электролит для полирования изделий из титана и его сплавов.» Дата подачи заявки: 06.03.2003 г.

42. Патент RU 2355829 «Способ электролитно-плазменного полирования металлических изделий» Дата публикации заявки: 27.10.2008.

43. Кащук В.А. Верещагин А.Б. Справочник шлифовщика. М.: Машиностроение. - 1988. - 480с.

44. Силин С.С., Леонов Б.Н., Хрульков В.А. Оптимизация технологии глубинного шлифования и др.; Редкол.: П.Н. Орлов (пред.)- М.:- Машиностроение.- 120 с.

45. Безъязычный В.Ф., Драпкин Б.М., Прокофьев М.А., Тимофеев М.В. Влияние шлифования на свойства поверхностных слоев стали. Физика и химия обработки материалов. — 2003. №6.

46. Саушкин, Б. П. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей / Б. П. Саушкин. М.: ООО «Дрофа». 2002. - 655 с.

47. Попилов Л Л. Технология электрополирования металлов. М. Л., Машгаз. -1953.-256 е.

48. Федотьев Н.П., Грилихес С .Я. Электохимическое травление, полирование и оксидирование металлов. М.-Л., Машгиз. -1957.

49. Амирханова H.A., Хамзина А.Р. Элетрохимическое полирование жаропрочных никль-хромовых сплавов ХН45МВТЮБР и ХН50МВТЮБР. // Металлообработка. 2006. - №5-6:

50. Саушкин Б.П. Электрохимическая отделочная обработка материалов // Металлообработка. 2001. - №1.

51. Амирханова H.A., Ямилова А.Р., Серавкин В.Н., Филиппова М.А. Исследования высокоскоростного анодного растворения никель-хромового сплава ХН50ВМТЮБ для ЭХО сотовых уплотнений. // Металлообработка. -2004. №5.

52. Барон Ю.М. Теоретическое и экспериментально исследование процесса обработки деталей машин в магнитном поле. Афтореф. канд. дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Л.: ЛПИ. - 1969. - 16 с.

53. Барон Ю.М. Кобчиков B.C. Влияние магнитно-абразивной обработки на эксплуатационные характеристики твердых сплавов. // Металлообработка 2007. - №6.

54. Сакулевич Ф.Ю., Минин Л.К., Олендер Л.А. Магнитно-абразивная обработка точных деталей. Минск. Высшая школа. 1977. - 287 с.

55. Ящерицын П. И., Ракомсин А. П., Сидоренко М. И., Сергееев Л. Е., Магнитно-абразивная обработка малогабаритных изделий фасонной формы. // Технология машиностроения. 2001. - №6.

56. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. — М.: Наука. 1971. - 297 с.

57. Д. Химмелъблау Прикладное нелинейное программирование М., Мир. 1975.-533 с.

58. Сухарев А. Г., Тимохов А. В., Федоров В. В. Курс методов оптимизации: М.: Физматлит. 2005. - 368 с.

59. Алалами Р., Торбунов С.С. Определение значимости факторов и их взаимодействия в многофакторном эксперименте. // Научно-образовательный журнал АлтГТУ. 2005. - № 7.

60. РДМУ 109-77 Методические указания. Методика выбора и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов.

61. ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.

62. ГОСТ 27964-88 Измерение параметров шероховатости. Термины и определения.

63. ГОСТ 19300-86* Средства измерений шероховатости поверхности профильным методом. Профилографы-профилометры контактные. Типы и основные параметры.

64. Вашуль, Хорст. Практическая металлография : Методы изготовления образцов. М. : Металлургия. -1988.-318с

65. Сергеев, Ю.Л. Материаловедение. Металлографический анализ и диаграммы состояний. СПбГПУ— Санкт-Петербург. 2002.

66. ГОСТ 9450-76 Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников.

67. Чернышев, Г.Н. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах .— М. : Наука. Физматлит. 1996. - 240 с.

68. Патент RU 2 327 124 С2. Неразрушающий способ определения механических напряжений в поверхностном слое изделий их металлов и сплавов. Дата публикации заявки: 27.12.2007.

69. Давиденков H.H. Избранные труды : в 2 т. / .— Киев : Наукова думка, 1981.

70. Кизель В.А. Практическая молекулярная спектрография. М.: Издательство МФТИ, 1998.

71. Фриш С.Э. Оптические спектры атомов. Государственное издательство физико-математической литературы. Ленинград. 1963. - 642 с

72. Пирс Р., Гейдон А. Отождествление молекулярных спектров / Перевод с английского Под редакцией С. Л. Мандельштама и М. Н. Аленцева Издательство иностранной литературы Москва. 1949. - 248 с.

73. Стриганов А.Р., Свентицкий И.С. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизированных атомов. Атомиздат М. 1966. - 900 с.

74. Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М., Шрейдер Е.Я. Таблицы спектральных линий. Государственное издательство физико-математической литературы М. 1962. - 608 с.

75. Лыков A.B. Теория теплопроводности. — М.: Высшая школа. 1967. -599 с.

76. Григорович Б.М., Назаренко И.П., Никитин П.В., Сотник Е.В. Метод калориметрирования тепловых потоков высокой интенсивности датчиками регулярного режима. // Современные проблемы науки и образования. 2009. - №3.

77. Тамм И.Е. Поток энергии // Основы теории электричества. 10-е изд., испр. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1989. - 504 с.

78. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. М.: Металлургия. - 1980. - 543 с.

79. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: Гардарики. - 2002. - 638 с.

80. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. М.: Атомиздат, 1979.

81. Васильков Д.В., Ташевский А.Г., Лыченков А. А. Обеспечение стабильности качества поверхностного слоя изделий при механической обработке на основе алгоритмов автоматизированного проектирования. Металлообработка. 2007. - №6.

82. Васильков Д.В., Вейц В.Л., Шевченко B.C. Динамика технологической системы механической обработки. — СПб.: Инструмент. 1997. - 230 с.

83. Злыгостев A.M., Бобошко А.И., Сарилов М.Ю. Исследование режимов электроимпульсной обработки Р9К5 методом планирования многофакторных экспериментов. //Металлообработка. 2004. - №3.

84. Хартман К., Лецкий Э.К., Шеффер В. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М., Мир. 1977.

85. Поляков О.В., Бадалян A.M., Бахтурова Л.Ф. Эмиссия электронов и самоподдержание разряда в условиях водного электролитного катода. // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2007. - №1.

86. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М. Машгиз. 1963. - 233 с.

87. Васильков С.Д., Анастасиади Г.П., Юрова Г.П. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из никелевых сплавов после механической обработки. Металлообработка. 2008. - № 5.

88. Багмутов В.П. Захаров И.Н. Моделирование структурных превращений при электромеханической обработке стали. // Физика и химия обработки материалов. 2002. - №4.

89. Лившиц Б.Г. Металлография :.— 3-е изд., перераб. и доп .— М.: Металлургия. 1990. - 333 с.

90. Себестоимость продукции: планирование, анализ, резервы снижения / Науч. разработка темы, коммент. и рекомендации д-ра экон. наук, проф. Э. В. Никольской, и канд. экон. наук Ю. П. Никольской; ред.-сост. М. И. Посошкова. [М.], 2006. — 207 с.

91. Сарилов М.Ю. Повышение эффективности электроэрозионной: обработки и качества обработанной поверхности на основе подходов искусственного интеллекта. Дисс. на соиск. учен. степ. док. техн. наук:. Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КНАГТУ». 2008. - 326 с.

92. ГОСТ Р МЭК 61140-2000. Защита от поражения электрическим током.

93. ГОСТ 12.1.038-82. Электробезопасность.

94. ГОСТ 12.1.030-81. Электробезопасность. Защитное заземление, Зануление.

95. ГОСТ Р 50571.20-2000. Электроустановки зданий.