Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Некоторые вопросы теории и практики процесса чистового электрообразивного шлифования

Некоторые вопросы теории и практики процесса чистового электрообразивного шлифования

В статье приведено исследование процесса электроабразивного чистового шлифования (ЭАШ) с приенением специальных токопроводящих кругов на органических связках, допускающих профильную правку обычными правящими средствами. Рассмотрены закономерности образования погрешностей при чистовом ЭАШ плоских и профильных поверхностей, а также примеры эффективного применения процесса в авиадвигателестроении и перспективы его дальнейшего совершенствования и применения в технологиях изготовления высокотемпературных ответственных деталей авиационных и энергетических ГТД.

В современном авиационном двигателестроении резкое ухудшение механической обрабатываемости специальных жаропрочных и тугоплавких сплавов в ряде случаев успешно преодолевается применением электрических методов обработки, одним из которых является метод электрохимической обработки (ЭХО).

Вместе с тем традиционный метод ЭХО на гарантированном зазоре обладает рядом недостатков, не позволяющих его применять на окончательных чистовых операциях, особенно при обработке жаропрочных материалов. Это, прежде всего, пониженная точность обработки, зависящая от стабильности многочисленных технологических параметров процесса, которые трудно стабилизировать, и органических погрешностей, присущих самому методу ЭХО, особенно при обработке профильных поверхностей.

Кроме того, на ряде материалов, таких как литейные жаропрочные сплавы, остающийся поверхностный растравленный слой (межкристаллитное растравливание) недопустим для окончательной рабочей поверхности и требуется его удаление различными методами.

Метод обработки быстровращающимся металлическим или графитовым диском — катодом в среде электролита, названный электрохимическим шлифованием (ЭХШ), по сути является разновидностью метода ЭХО со всеми его недостатками,

Гораздо более интересным и многообещающим является метод, совмещающий электрохимическое растворение с механическим воздействием на растворимую поверхность, например, зернами абразива в составе вращающегося диска — катода. Это могут быть зерна любого абразивного материала, в том числе алмаза и эльбора.

Большинство исследований посвящено методу электроабразивного шлифования (ЭАШ) как более прогрессивному.

Метод электроалмазного шлифования кругами на металлических связках стал широко применяться при обработке титановых сплавов и в инструментальном производстве при заточке твердо-сплавных резцов. В данном случае электрохимический процесс растворения служит для избежания или устранения засаливания режущей поверхности и способствует процессу резания зернами алмаза. Правка кругов на металлических связках затруднена и возможна только специальными средствами (электроэрозия), незначительные отклонения от режимов обработки могут вызывать тепловые повреждения на обрабатываемых поверхностях вследствие трения прочной металлической связки. Особенно эти круги трудно применять при высокоточном профильном ЭАШ, где образуется органическая, свойственная процессу погрешность, для устранения которой часть припуска необходимо снимать исключительно абразивным шлифованием при отключенном технологическом токе или при значительно пониженном напряжении.

Создание процесса чистового ЭАШ для различных поверхностей, в том числе сложнопрофильных, потребовало разработки новых подходов к его компонентам, особенно к применяемому инструменту.

Токопроводящие абразивные круги для создаваемого процесса должны работать на предварительных проходах в режиме преобладания электрохимического растворения и позволять проведение окончательного выхаживания в режиме абразивного резания без технологического тока или при резком его уменьшении, обеспечивая точность и нужные параметры качества поверхностного слоя.

В обслуживании эти круги должны быть не сложнее обычного абразивного инструмента и допускать правку обычными средствами, применяемыми для абразивных кругов. Технология изготовления кругов должна быть проста и доступна соответствующим инструментальным подразделениям любого предприятия. Кроме того, комплексное решение всех вопросов чистового ЭАШ потребовало разработки теоретической базы по аналитическому расчету возникающих погрешностей при обработке любой профильной поверхности, разработки специальных методов и схем шлифования, различных конструкций кругов, специального оборудования, методов подачи и очистки электролита и т.д.

Известно, что при ЭАШ существуют зоны совместного абразивного и электрохимического воздействия круга на обрабатываемую поверхность и зоны только электрохимического воздействия. Для вывода закономерностей чистового ЭАШ и установления степени влияния электрохимического растворения на производительность и точность потребовалось более подробно рассмотреть зону теоретического контакта круга и зону полного его взаимодействия с обрабатываемой поверхностью.

Токо проводящий абразивный круг можно представить как токопроводящий вращающийся диск, над поверхностью которого возвышаются абразивные зерна, создающие пространство, заполняющееся электролитом на всю высоту выступания зерна и переходящее в пленку электролита определенной толщины, удерживающуюся силами смачивания поверх абразивных зерен. На примере наиболее общего случая плоского ЭАШ (рис. 1) с попутной подачей рассмотрены действующие закономерности образования зоны взаимодействия токопроводящего круга с обрабатываемой поверхностью. Как и для случая обработки методом ЭХО подвижным вращающимся катодом эволюцию величины межэлектродного зазора по нормали к инструменту можно записать для любого момента времени:

При этом

Рис. 1. Схема глубинного электроабразивного шлифования:

t, ti — соответственно установленный и реально снятый припуск; акр — приведенный рабочий зазор, равный выступанию зерна над связкой; R - радиус круга; а0, аx - межэлектродный зазор соответственно начальный и текущий

Здесь аx — межэлектродный зазор в любой точке, мм;

а0 — начальный электродный зазор (в точке А), мм;

vk — скорость движения инструмента (подача стола), мм/мин;

vax — скорость анодного растворения в любой точке теоретического контакта в пределах зоны А В, мм/мин;

— угол между нормалью к профилю круга и вектором скорости движения круга, град;

— время, мин;

— коэффициент выхода по силе тока;

Сv— объемный электрохимический эквивалент обрабатываемого материала, мм3/Амин;

u — напряжение на источнике питания, В;

uп — падение напряжения в прикатодной и прианодной области, В;

— удельное электрическое сопротивление электролита, Ом.мм;

jx — плотность тока в произвольной точке, А/мм2.

Скорость изменения зазора получим, продифференцировав по времени выражение (1):

По мере увеличения угла аx скорость изменения зазора будет увеличиваться, т.е. в зоне контакта АВ образуется клиновой зазор с минимальным значением в точке А и максимальным — в точке В.

Среднестатистический приведенный рабочий зазор инструмента, зависящий от выступания абразивного зерна над связкой и являющийся характеристикой кругов akp, можно определить при шлифовании образца с известной глубиной t при радиусе круга R на грани касания зернами в точке А.

Решив векторный треугольник в точке А, находим эквивалентный зазор:

гдеu— падение напряжения на круге,определяемое по экспериментально установленной величине удельного сопротивления круга

Для кругов с известными характеристиками зазора аkp равен выступу зерна над связкой, что составляет 0,05...0,06 мм.

В общем случае ЭАШ (см. рис. 1) четко выделяются четыре зоны взаимодействия круга с обрабатываемой поверхностью (рис. 2), подтвержденные экспериментально в результате мгновенного прерывания процесса обработки:

I — зона электрохимического растворения перед точкой А—началом теоретического контакта круга с обрабатываемой поверхностью;

II — зона совмещенного абразивного и электрохимического съема;

III — зона электрохимического съема в пределах теоретической зоны контакта АВ;

IV — зона электрохимического растворения на увеличивающемся зазоре в пределах действия жидкостного клина электролита l.

Рис. 2. Схема чистового электроабразивного шлифования

В результате при глубинном ЭАШ вместо установленного припуска t реально снимаемый припуск t1 . Разницаt зависит от многих факторов и находится в пределах десятых долей миллиметра, и определяет точность и качество полученной поверхности по законам ЭХО.

Для перехода к чистовому ЭАШ необходимо исключить зону III, создав условия касания абразивных зерен в окрестности точки В, т.е. клиновой зазор по всей зоне теоретического контакта должен быть в пределах аkp, при этом в точке А — начале контакта — должен быть гарантированный зазор для прокачки электролита.

Для обеспечения условий чистового ЭАШ в окрестности точки В должно выполняться неравенство:

Откуда скорость подачи стола:

где — плотность тока в зазоре аkp в окрестности точки В;угол (близкий к 90°), зависящий от глубины шлифования, равной высоте микронеровностей предполагаемого класса шероховатости в окрестности точки В.

В самой точке В неравенство (5) теряет смысл. Зазор в точке А определяется величиной снимаемого припуска t и должен быть в пределах

Обычно глубина t чистового ЭАШ составляет 0,01...0,02 мм. При этом доля абразивного резания 10...20 % от общего съема материала, что весьма облегчает резание любых труднообрабатываемых материалов.

Обеспечив касание абразивных зерен практически по всей зоне теоретического контакта, что является предпосылкой получения высокой точности, невозможно исключить растворение в зоне IV сформированной в точке В поверхности. Необходимо оценить величину этого растворения, так как его влияние на точностные показатели чистового ЭАШ становится решающим.

Растворение за точкой В в зоне IV происходит на все увеличивающемся зазоре a3 по мере удаления от точки В на расстоянии (см. рис. 2):

откуда после преобразований

Скорость растворения в зоне IV в любой точке будет:

откуда

Подставив в формулу (7) выражение для зазора а3 и проинтегрировав по времени, получим зависимость суммарного съема материала t3 в зоне IV при чистовом ЭАШ:

Предел интегрирования х вычисляется делением длины жидкостного клина l, определяемого экспериментально, на скорость движения инструмента vk:

Без потери физического смысла и с той же точностью суммарный съем в зоне IV можно вычислить по другой более удобной в применении формуле

Экспериментальная проверка растворения в зоне IV показала удовлетворительное (10 %) схождение с расчетными значениями по приведенной методике с использованием формул (8), (9).

Анализ закономерностей (8), (9) за последней точкой теоретического контакта круга протяженностью показывает, что все количественные зависимости при взаимодействии круга с обрабатываемой поверхностью как в зоне контакта, так и за ее пределами (зона IV) зависят от его радиуса R.

Остальные величины, входящие в формулы (8), (9), или заранее известныили варьируемы (vk,u), и ли установлены опытным путем .

Если для любого нормального сечения профильной поверхности кривую взаимодействия круга с обрабатываемой поверхностью представить в виде окружности с приведенным радиусом Rэкв, то приведенные зависимости можно использовать для любых профильных поверхностей.

На рис. 3 приведены типичные примеры сложнопрофильных поверхностей.

Рис. 3. Примеры сложнопрофильных поверхностей:

а — радиусная поверхность; б — эвольвентная поверхность; R — текущий радиус вращения профильной поверхности; — текущий угол между нормалью к профилю и осью вращения; — эквивалентный текущий радиус, действующий в нормальной к профилю плоскости; tп — снимаемый припуск в нормальной плоскости; — угол между нормалью к нижней точке ножки зуба и осью вращения круга; — угол между нормалью к головке зуба и плоскостью вращения круга; -эквивалентный радиус, действую¬щий в плоскости, нормальной к ножке зуба; — эквивалентный радиус, действующий в плоскости, нормальной к головке зуба (на рисунке не показан)

К профильным, в общем случае, можно отнести поверхности, имеющие участки, нормаль к которым составляет угол β < 90° с осью вращения круга. В нормальном сечении в пределах снимаемых припусков t зона контакта формируется кривой, близкой к части окружности с эквивалентным радиусом:

Так как второй член выражения (10) несоизмеримо мал, то для практических расчетов с достаточной точностью принимается

Таким образом, скорость вращения круга определяется истинным радиусом R, а зона взаимодействия инструмента с поверхностью — эквивалентным радиусом Rэкв.

Растворение поверхности в зоне IV —tIV вычисляется по формулам (8), (9) для любого нормального сечения профильной поверхности под углом подстановкой вместо радиуса R — Rэкв.

Разность снимаемых пропусков Δt в различных сечениях под разными углами дает погрешность процесса и определяет необходимый снимаемый припуск только абразивным шлифованием с выключенным технологическим током или со значительно пониженным напряжением.

Так, для эвольвентной поверхности (см. рис. 3, б) превышение съема материала на ножке под воздействием большого Rэкв.н по сравнению со съемом на головке под воздействием Rэкв.г дает погрешность чистового ЭАШ и величину необходимого радиального врезания для выхаживания без технологического тока.

Специальные токопроводящие абразивные круги на органической связке дают возможность произвести абразивное выхаживание с необходимым качеством поверхностного слоя и точностью, сопоставимой с точностью обычного абразивного шлифования.

Проведенные исследования по созданию специального инструмента для чистового ЭАШ позволили рекомендовать токопроводящие абразивные круги на органической связке с графитовым токопроводящим компонентом.

Абразивный токопр о водящий круг состоит из абразивного зерна (30...60 %), органической связки (20...40 %), крупночешуйчатого графита (20...30 %). Для повышения теплостойкости кругов применяются наполнители в виде металлических порошков.

В качестве абразивного зерна применяется карбид кремния зеленый (63С), карбид кремния черный (54С) зернистостью 16...20.

Токопроводящая абразивная масса напрессовывается на центральную алюминиевую ступицу в специальных прессформах при давлении 80...100МПа (800...1000 кг/см2), после чего производится термообработка при Т= 180...200°С.

Круги данного состава имеют плотность у = = 2,9 г/см3, удельное электрическое сопротивле¬ние р = 0,02...0,03 Осм, теплопроводность в 5...6 раз более высокую по сравнению с обычными абразивными кругами на керамической связке.

По показателям электропроводности круги на органической связке в рабочих условиях превосходят круги на металлических связках.

Позволяя работать при высоких плотностях тока до 200 А/см2, круги не вызывают интенсивного электрического искрения при касании связкой обрабатываемой поверхности, так как имеют более высокое электрическое сопротивление, а это в свою очередь сохраняет обрабатываемую поверхность от электроэрозионных повреждений.

При выхаживании без электрохимического растворения круги обладают достаточно высокими режущими свойствами, дают хорошее качество поверхностного слоя. Режущие свойства этих кругов в режиме абразивного глубинного шлифования при снятии значительного припуска реализованы в способе чистового глубинного шлифования (А.с. № 1115876), совмещающего последовательно электроабразивное шлифование с чистоабразивным в одном проходе.

Освоение технологии изготовления токопроводящих абразивных кругов позволило исследовать и внедрить процесс ЭАШ при обработке различных поверхностей кругами различных конструкций, конфигураций и размеров.

При ЭАШ важное значение имеет снабжение зоны контакта электролитом. От достаточности электролита и его равномерного распределения по поверхности круга зависит производительность обработки и точность обработанной поверхности в режиме ЭАШ.

Рекомендованы различные схемы шлифования и разработаны способы подачи электролита, обеспечивающие наилучшие результаты. Разработан метод замера толщины пленки электролита, которую несет на себе вращающийся круг в зону обработки благодаря смачиванию при подаче струи электролита в различные зоны круга. Особенно важно для расчета точности учитывать неравномерность толщины пленки электролита на профильных поверхностях, на которых она увеличена за счет центробежных сил к периферии круга в 1,5...2 раза.

Способ электрохимического шлифования (А.с. № 331868) предусматривает выравнивание и уменьшение толщины пленки электролита с помощью сжатого воздуха, поджимающего струю, выходящую из плоского сопла к поверхности круга. Как и при обычном ЭХО при ЭАЩ электролит постепенно загрязняется продуктами анодного растворения в виде гидрооксидов различных металлов Ме(ОН)п ,нерастворимых в воде и выпадающих в осадок. Электролит при ЭАШ, состоя¬щий из 10 % раствора калиевой селитры (KNO3 ) с добавкой 0,3 % нитрита натрия (NaNO2 ), в качестве ингибитора не меняет своего состава, кроме защелачивания (повышение РН) и зашламления.

При большой концентрации шлама, имеющего более высокий удельный вес, круг хуже удерживает пленку электролита и показатели процесса ухудшаются. Требуется очистка электролита.

Разработано электрофлотационное устройство в виде специального компактного бака (А.с. № 482202), которое непрерывно очищает электролит, поднимая шлам в верхнюю часть очистного отсека бака, откуда он удаляется в виде пастообразного продукта.

Оборудование для реализации процесса ЭАШ при обработке различных поверхностей в настоящее время промышленность не выпускает.

Выпущенные модели заточных станков для электроалмазной заточки резцов нашли ограниченное применение. Реализация процесса чистового ЭАШ производится на модернизированных плоскошлифовальных, внутришлифовальных, токарно-лобовых, карусельных, продольно-фрезерных и других станках.

Разработаны общие принципы, которым должны отвечать модернизация и конструкция вновь создаваемых станков. Скорость движения стола должна быть обеспечена в широких диапазонах для осуществления процесса глубинного предварительного съема металла на подачах 10...500 мм/мин и чистового ЭАЩ на подачах в пределах 1...5 м/мин. Для этого используются приводы стола от редуктора медленных подач с сохранением гидравлической подачи стола при чистовом ЭАШ. Подшипники рабочего шпинделя должны быть изолированы от массы станка, деталь (анод) устанавливается на рабочие приспособления, изолированные от массы станка. В цепь вращения круга должен быть встроен ваттметр для постоянного контроля за мощностью абразивного резания, так как превышение мощности привода в процессе рабочего прохода недопустимо и приводит к остановке круга на детали, короткому замыканию и, как следствие, к порче детали и круга.

В качестве источника питания применяются серийно выпускаемые гальванические выпрямительные агрегаты типа ВАКХ 12/6-600, ВАКГ 12/6-1500.

Чистовое электроабразивное шлифование наиболее эффективно применяется при решении следующих специфических задач:

1. Чистовая высокоточная обработка поверхностей, работающих в условиях, не допускающих наличия в поверхностном слое остаточных напряжений и наклепа. (Другими методами обработки поверхность с такими свойствами не получить.)

2. Обработка поверхностей на нежестких деталях, например на пружинах, со съемом значительных припусков при минимальных силах резания.

Обработка поверхностей тонкостенных деталей без образования заусенец.

Операция профильного ЭАШ на тонкостенных деталях резко увеличивает производительность труда (в 10. ..15 раз) и полностью устраняет ручной труд по снятию заусенец после лезвийной обработки.

Рис. 4. Вид контровочных втулок, обработанных методом ЭАШ (а) и методом фрезерования (б)

На рис. 4 показаны тонкостенные контровочные втулки, радиус которых обработан механически и методом ЭАШ по схеме, позволяющей за один проход профильным кругом окончательно обработать 50 деталей.

3. Обработка сотовых уплотнений.

Метод ЭАШ позволяет производительно, с окончательным размером обрабатывать сотовые кольца при полном отсутствии заусенец. По сравнению с другими методами обработки сотовых уплотнений метод ЭАШ находится вне конкуренции. На рис. 5 показаны секторы сотовых вставок, обработанные механическим способом и методом ЭАШ

Обработка производится на модернизированных токарно-лобовых, внутришлифовальных и токарно-карусельных станках для сотовых колец большого диаметра (до 3000 мм).

Рис. 5. Вид сотовых секторов, обработанных механическим способом (а) и с применением ЭАШ (б)

4. Формообразование точных поверхностей ответственных деталей авиационных двигателей из особотруднообрабатываемых литейных жаропрочных сплавов, механическая обработка которых затруднена и вносит большие напряжения, приводящие к короблениям и трещинам.

Метод ЭАШ позволяет с необходимой точностью производительно и качественно обработать торцовые поверхности, наружные и внутренние диаметры, а также нежесткие поверхности, практически не поддающиеся обработке методом точения и шлифования.

Рис. 6. Зона обработки модернизированного станка с установленной деталью двигателя СТ-7

На рис. 6 приведена зона обработки с установленным корпусом внутреннего контура двигателя СТ-7 американского производства.

К этому же классу задач относится чистовое ЭАШ поверхностей деталей из твердого сплава кругами с зерном из карбида кремния на режимах с преобладанием электрохимического съема с обеспечением более высокого качества поверхности, чем при традиционно единственно возможном методе алмазного шлифования.

5. Обработка плоских и профильных цементированных и нитроцементированных поверхностей на деталях из материалов, склонных к образованию шлифовочных прижогов, таких как сталь 12Х2Н4А. Применение чистового ЭАШ дает возможность на повышенных режимах обработки получать поверхность с полным отсутствием тепловых структурных изменений (прижогов) с благоприятными остаточными сжимающими напряжениями умеренного уровня

Выполнение приведенных задач реализовывалось при применении и исследовании схем врезного глубинного и чистового плоского ЭАШ, круглого ЭАШ наружных и внутренних поверхностей, торцового ЭАШ чашечными кругами. Разработана и исследована схема ЭАШ методом копирования эвольвентных поверхностей наружных и внутренних шлиц, а также профилей зуба прямозубых конических колес методом обката тарельчатыми токопроводящими абразивными кругами без их продольного движения.

Как и для всех методов электрохимической обработки, применение метода ЭАШ предполагает соблюдение норм экологических требований и промышленной санитарии и гигиены. Установки для процесса ЭАШ могут быть автономными в противоположность установкам ЭХО, требующих специальных помещений, располагаться на любых участках производственного цеха, где есть вытяжная вентиляция.

Дальнейшее развитие с перспективами более широкого и эффективного применения чистовое ЭАШ связано с усовершенствованием оборудования в результате автоматизации процесса обработки с помощью систем ЧПУ, введением автоматизированной правки алмазными правящими роликами и автоматизированного получения размеров при минимальном участии обслуживающего персонала, роль которого должна сводиться к установке и съему обрабатываемых деталей.

Ю.К.ЧАРКОВСКИЙ, канд. техн. наук

Справочник. Инженерный журнал. №4, 2005, с.19-24

Статьи партнеров