Повышение эффективности изготовления сложно-профильных деталей из легированных сталей методом электролитно-плазменного полирования

Актуальность. Обеспечение эффективностиизготовления 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 числепо спектральному анализу ГАО и калориметрированию тепловых потоков при 31 111: 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 подвижныхфаз с температурами выше температуры кипения и плавления, а также фазы твердого тела с наличием отпущенного1 слояматериалачто подтверждается проведенным исследованиемтопографии! 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 закономерностивзаимосвязи 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&bdquo-=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.