6.7.25. Термомеханический метод

Примеры использования метода приведены в [85], откуда следует, что применение плазмотронов позволяет повысить до 2 раз скорость точения, увеличивает толщину снимаемой стружки, ширину среза, снижает сопротивление резанию, что компенсирует затраты энергии на дополнительный нагрев зоны резания.

7. Повышение качества поверхностного слоя и перспективы применения электрических и комбинированных методов обработки

Все рассмотренные в работе методы оказывают влияние прежде всего на характеристики поверхностного слоя, которые определяют уровень эксплуатационных показателей изделий. Качество поверхностного слоя формирует потребительские характеристики изделий: их внешний вид, прочность, надежность, долговечность, работоспособность, ремонтопригодность и др.

При электрохимической размерной обработке (ЭХО), как правило, не образуется контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью, и формирование поверхностного слоя происходит под действием электрического поля. Существенное влияние химическая составляющая комбинированного процесса оказывает на многие рассмотренные в разделе 6 методы обработки. Необходимо также учитывать тепловые воздействия, которые вызывают фазовые превращения в материале детали, местное упрочнение. Эти вопросы достаточно хорошо изучены в термообработке сплавов.

Задачей специалистов-технологов на современном этапе развития науки в области рассматриваемых методов обработки является разработка общих принципов управления качеством поверхности с целью получения оптимальных, с точки зрения эксплуатационных требований, свойств изделий.

Накопленный фактический материал позволяет достаточно строго описать процесс формирования слоя при ЭХО, оценить его влияние на прочностные характеристики деталей. В начале анодного растворения на поверхности большинства сплавов имеется окисная пленка, которая обладает значительным электрическим сопротивлением. У титана, алюминия такие пленки могут быть весьма прочными и не разрушаются под действием потока жидкости. Возникает вопрос: за счет каких сил начинается анодное растворение поверхности? Попытка дать объяснение этому явлению содержится в работах [109], [131]. Предполагается, что под действием электрического поля на поверхности металла образуется слой типа холодной плазмы, который отрывает пленку и создает возможность активного анодного растворения. С таких позиций может быть объяснено образование при некоторых режимах на поверхности титановых сплавов избирательного съема металла и получение углублений типа питтинтов, которые по мере растворения сплава снижаются до величины микронеровностей. Описанный механизм нашел практическое использование при обработке титановых лопаток энергетических машин, где в начальный момент используют технологические режимы, способствующие интенсификации разрушения защитных пленок на поверхности металла. Это повышенные напряжения, активизация электролитов за счет введения химических компонентов, использование повышенных температур рабочей среды, малых зазоров и др.

Динамика образования микроуглублений в процессе ЭХО описана в работах [109], [131]. Эти авторы считают, что различия в размерах углублений сплавов зависят от природы обрабатываемого материала, прежде всего его химической активности. Предложенный в [109] механизм объясняет зарождение неровностей и микрорастравливаний неоднородностью свойств зерен и межзерновых связок, а также влиянием границ зерен на перераспределение тока. Подтверждением этому служат последние работы [73], [127], где исследовано воздействие локальной пассивации поверхности на интенсивность местного анодного растворения сплавов. На границе участков с различным электрическим сопротивлением плотность тока может увеличиться в 2,5-3 раза, что вызывает рост скорости съема, образование углублений в форме микрорастравливаний.

В работе [109] показано, что для достаточно широкого диапазона режимов соотношение между глубиной растравливания и высотой неровностей практически постоянно для каждой группы материалов. Следовательно, измерив высоту неровностей, можно однозначно назвать глубину измененного слоя и требуемый припуск на последующую финишную обработку.

Наличие микроуглублений влияет на механические свойства материалов. Как показано в [109], удаление измененного слоя целесообразно только для материалов с крупным зерном или с прочной окисной пленкой: это прежде всего жаропрочные и титановые сплавы.

Микроуглубления на поверхности адсорбируют газообразные продукты процесса ЭХО. В частности, это является одной из причин наводораживания поверхности титановых сплавов. Такой механизм подтверждает наличие остаточных напряжений в титановых сплавах [109], которые могут быть объяснены как результат расклинивания под действием газов, находящихся в углублениях. Анализ влияния шероховатости поверхности на степень наводораживания титановых сплавов также показывает, что при большей величине микроуглублений количество водорода в поверхностном слое значительно (в 2-5 раз) выше, чем у мелкозернистых сплавов. Исследования жаропрочных материалов также выявили возрастание содержания водорода по сравнению с исходными образцами после механической обработки. Однако даже при наличии наводораживания поверхности не всегда целесообразно выполнять финишное полирование (с припуском в несколько сотых миллиметра). Экономически выгоднее делать вакуумный отжиг или выборочно контролировать детали на наводораживание в конце изготовления перед финишными операциями. Наши исследования показали, что для титановых сплавов содержание водорода после ЭХО снижается до пределов, ограниченных ГОСТами в течение первых 3-5 суток, т.е. за период, не превышающий времени нахождения деталей в механообрабатывающих цехах. Накопленный фактический материал позволяет предложить следующий алгоритм управления качеством поверхностного слоя.

1. Исходя из общих требований по обрабатываемости материала заготовки подбирают состав и концентрацию рабочей среды, скорость ее перемещения [109], назначают напряжение и диапазон рабочих параметров.

2. Для требуемой в чертеже детали высоты неровностей находят межэлектродный зазор или другой технологический параметр и оценивают возможность его поддержания на станке. Если это невозможно, то назначают финишную обработку и корректируют зазор.

3. По зависимостям в работе [109] находят предел выносливости сплава для шероховатости, получаемой после обработки. Если она ниже величины, требуемой ГОСТ, то рассчитывают высоту неровностей, обеспечивающих нужный предел выносливости, корректируют режимы и вносят их значения в операционную карту обработки детали. Если предусматривалась финишная операция, то такого расчета и корректировки не требуется.

Сочетание известных способов позволяет получить комбинированные методы обработки, в которых усиливаются положительные стороны составляющих факторов и подавляются нежелательные показатели процессов. Однако достичь положительного эффекта за счёт суммирования нескольких видов воздействия не всегда возможно при недостаточном объеме информации о взаимном влиянии составляющих комбинированных методов.

Для повышения механических свойств после КМО целесообразно в качестве исходных факторов принять требования к качеству поверхности, заданные конструктором, учесть минимум затрат на достижение цели, возможность экономии энергии и материалов. Сравнительный анализ традиционных и новых способов воздействия на поверхность позволяет выделить положительные свойства:

- для механического непрерывного воздействия свойственна возможность управления наклепом поверхности, повторения профиля инструмента на детали. Однако таким методом практически не удаётся устранить ранее внесенный наклеп, получить остаточные напряжения требуемой величины и знака. При этом технологические показатели процесса снижаются с возрастанием твёрдости и механических характеристик обрабатываемого материала;

- для механического прерывистого воздействия свойственны более широкий диапазон регулируемого изменения остаточных напряжений, снижение шероховатости поверхности. Вместе с тем прерывистое воздействие, как правило, удлиняет время достижения требуемого качества поверхности. Сочетание обоих видов механического воздействия путем, например, наложения ультразвуковых колебаний на режущий инструмент снижает высоту неровностей, глубину и степень наклепа;

- химическое воздействие позволяет получить поверхности с малой шероховатостью, практически без наклепа, но процесс сопровождается наводораживанием поверхности, некоторых сплавов. В большинстве технологических процессов его комбинируют с электрическим током, что значительно ускоряет процесс съёма металла и выравнивание микроповерхности. Например, электрохимическая размерная обработка позволяет в ряде случаев превысить скорость формообразования микроповерхности по сравнению с механическими способами. При этом проявляются два уникальных свойства такой комбинированной обработки: отсутствие износа инструмента, позволяющее получить стабильные характеристики качества поверхности, и возможность повышения показателей поверхностного слоя при возрастании интенсивности съёма материала. Сочетание электрохимической обработки с механической (например, электроабразивное шлифование) открывает возможность получения высокой чистоты поверхности при минимальном наклепе и изменении физико-химических свойств поверхностного слоя;

- тепловое воздействие изменяет физико-механические свойства поверхностного слоя, в частности, твёрдость. При электроэрозионной обработке возникает износостойкий закалённый слой с неровностями, хорошо удерживающими смазку. При комбинации с химическим воздействием можно целенаправленно изменять физико-химические свойства поверхностного слоя. Сочетание различных тепловых факторов с другими видами воздействия позволяют управлять формированием поверхностного слоя в требуемом направлении;

- магнитное и радиационное влияние на качество материалов изучено недостаточно, однако опыт эксплуатации деталей в сильных магнитных полях или в активной зоне атомных установок однозначно показал их значительное влияние на прочностные характеристики материалов и их износостойкость.

Показанные примеры комбинирования различных воздействий позволяют сформулировать следующие основные принципы создания перспективных технологических процессов, обеспечивающих заданные характеристики поверхности:

- разработка и использование приоритетного прямого воздействия, выраженного через коэффициенты для каждого показателя качества поверхности;

- установление взаимного влияния каждого вида воздействия на качество поверхностного слоя. Создание банков данных (знаний) и разработка математического аппарата для количественной оценки степени влияния и управления процессом формообразования заданных показателей материала;

- разработка граничных условий применения комбинированных методов для формирования показателей качества поверхностного слоя.

С учётом возможностей каждого вида воздействия и предложенных принципов должны быть разработаны алгоритмы создания новых комбинированных методов обработки, сочетающих от 2 до 6 видов воздействия и открывающих возможность получения деталей со свойствами, недоступными в случае применения традиционных методов обработки. При сочетании электрохимического и механического воздействия уже удалось получить высокоточные детали с малой шероховатостью и гарантированным наклепом поверхности, обеспечивающим теоретически достижимую прочность изделия при многоцикловых нагружениях. Чередование анодного, катодного и механического воздействия стало основой создания комбинированного процесса получения покрытий без растягивающих напряжений и не требующих последующей обработки. Направленный наклеп поверхности при нанесении информации электрохимическим методом позволяет получить мелкие шрифты с шириной штриха меньшей, чем ширина линии на инструменте. Одновременное тепловое и химическое воздействие дает возможность залечивать микротрещины, возникающие в процессе обработки в поверхностном слое металлорежущего и медицинского инструмента.

По [109] при использовании в комбинированных методах наиболее изученного химического воздействия изменяются в нужном направлении прочностные, коррозионные и другие эксплуатационные свойства изделий. При использовании электрохимической обработки основными параметрами, влияющими на прочность детали, являются:

- состояние поверхностного слоя детали (изменения в микроструктуре, глубина и интенсивность наклепа поверхностного слоя с соответствующими остаточными напряжениями, наличие на поверхности концентраторов геометрического характера: подрезы, глубокие риски, трещины, царапины и пр.);

- коррозионная стойкость поверхностного слоя;

- механические свойства.

Механические свойства образцов из сталей в исходном состоянии и после электрохимической обработки практически одинаковы. Различия в пределах прочности и условной текучести, относительного удлинения и сужения следует относить не к особенностям КМО, а к статистическому рассеянию результатов эксперимента. Таким образом, для основной группы конструкционных материалов химическая составляющая комбинированных методов не оказывает значительного влияния на изменение характеристик статической прочности сплавов.

Для алюминиевых сплавов характер распределения внутренних напряжений сильно изменяется в пределах группы изучаемых материалов. В образцах из сплава Д16АМ напряжения на поверхности имеют положительный знак и являются растягивающими как в исходном состоянии, так и после электрохимической и механической обработки. Переход через нулевое значение со сменой знака на противоположный происходит на разной глубине, а именно: в образцах исходного состояния эпюра переходит в отрицательную область на глубине 20 мкм, после электрохимической составляющей в КМО - на глубине 10 мкм. Для стальных образцов имеет место значительный разброс результатов: интервал глубины перехода в отрицательную область - от 10 до 40 мкм. На глубине 45-90 мкм эпюра снова переходит в положительную область, при этом напряжения по величине незначительны и равны ±50 МПа.

Для сплава АК4-1 внутреннее напряжение на поверхности достигает ±40-60 МПа.

Для титановых сплавов типа ОТ4-1 характерным является значительное рассеяние в распределении внутренних напряжений. На поверхности величина положительных напряжений составляет 30-150 МПа для исходного состояния и 20-150 МПа после электрохимического и КМО. Переход в отрицательную область происходит на глубине 5-25 мкм.

Эпюры распределения внутренних напряжений для всех образцов коррозионно-стойких сталей типа 12Х18Н10Т практически одинаковы. В отличие от цветных сплавов коррозионностойкие стали дают более стабильные результаты по величине и характеру распределения внутренних напряжений.

Для всех исследованных сплавов не обнаружено отрицательного влияния КМО на характер остаточных напряжений.

После химического воздействия у большинства сплавов не обнаружено каких-либо дефектов, снижающих прочность материала, что указывает на возможность исключения при КМО концентраторов напряжений, характерных для механической обработки.

Усталостная прочность сплавов после химического воздействия зависит от условий их работы применительно к изделиям различных отраслей техники, подвергаемых обработке. Следует рассмотреть два вида испытаний: на плоских образцах, моделирующих условия эксплуатации при чистом изгибе элементов конструкций из листа (обшивки, дефлекторы и др.), и на круглых образцах, при испытании которых имитируют нагрузки, возникающие при эксплуатации точеных, литых и штампованных деталей.

Испытания на усталость при чистом изгибе проводились на образцах, изготовленных в соответствии с требованиями стандарта с обработкой механическим и комбинированным методами, при температуре 293 К (база испытаний 10 млн. циклов нагружения).

В качестве основы для оценки результатов испытаний плоских образцов принят предел выносливости листовых материалов после механообработки, который, например, для стали 12Х18Н10Т, составляет 310 МПа. Обработка с химическим воздействием дает значительное рассеяние результатов, однако не снижает предела выносливости по сравнению с исходным состоянием материала. Разброс по пределу выносливости достаточно велик, но во всех случаях наиболее опасные нижние границы областей рассеяния находятся на уровне средней кривой усталости исходного состояния образцов, что говорит в пользу комбинированного метода.

Образцы из стали 12Х18Н10Т были испытаны на склонность к межкристаллитной коррозии. Коррозии на образцах не обнаружено. Детали из стали 20Х13 проходили сравнительные коррозионные испытания с электролитами состава нитрит натрия -10%, вода - остальное и в электролите, содержащем активные ионы хлора, брома, йода.

После обработки детали проходили промывку в горячем промывочном растворе. Сравнительные испытания в гидростате с относительной влажностью 95-98% при температуре 293±5 К в течение 140 ч показали, что обе группы деталей имеют удовлетворительную коррозионную стойкость.

В связи с необходимостью сохранения информации на деталях при работе их в абразивных и агрессивных средах, после покрытия красками и при других условиях были проведены испытания маркирования на стойкость изображения при условиях, приближенных к реальным.

При испытании результатов маркирования сплава ОТ4-1 на стойкость к абразивному воздействию, проводимому при помощи установки для испытаний на стойкость к истиранию, выяснилось, что для титановых сплавов стойкость выше, чем для стали, т.к. контрастный слой на таких знаках имеет более толстые пленки.

В технологический процесс изготовления ряда деталей входит пескоструйная обработка, например, перед пассивированием деталей из стали 14X17Н2 и др. После обработки деталь должна сохранить нанесенную ранее информацию, так как опознавание подобных деталей, отличающихся, например, только материалом, весьма затруднительно. Поэтому было проведено испытание стойкости изображения на стали 14X17Н2, маркированном знаками высотой 1,5 мм различной глубины, после пескоструйной обдувки. Например, при пескоструйной обработке крепежа из стали 14X17Н2 каждая деталь подвергалась действию абразивной струи в среднем в течение 1,5 с. Для сохранения нанесенной информации такая деталь должна иметь минимальную глубину маркировки 0,02 мм. В случае более длительного воздействия песка глубина знаков должна возрастать.

При испытаниях стойкости анодной пленки на титане ОТ4-0 в растворах азотной кислоты при температуре 293 К и толщине пленки 510 весомые потери металла интенсивно увеличиваются по мере возрастания концентрации кислоты. Вначале анодная пленка хорошо противостоит агрессивному воздействию кислоты, а после нарушения покрытия происходит интенсивное растворение основного металла, и весовые потери детали начинают резко возрастать.

Анодная пленка, наносимая в процессе маркирования титановых сплавов, достаточно надежно защищает деталь от агрессивных воздействий среды и является желательной для узлов, работающих в условиях контакта с кислотами.

Для четкого опознавания информации необходимо иметь такую глубину штриха, при которой он не теряется под слоем краски. Чтение знаков проводилось с расстояния 30-50 см. Оказалось, что для знаков шрифта 1,5 мм на деталях, окрашенных краской МЛ-197 одним слоем при 298-303 К, минимальная глубина составляет 0,03-0,05 мм. Это требование может быть легко обеспечено при глубоком маркировании.

Известны [111] результаты испытания образцов с информацией, нанесенной комбинированным методом, в коррозионных камерах в атмосфере повышенной влажности, температуры и в условиях морского тумана. Качество знаков оставалось хорошим.

Проведенные испытания показывают, что даже при неблагоприятных условиях эксплуатации деталей комбинированная обработка обеспечивает высокую стойкость и долговечность изделий.