UDK 621.9.047 Химическая и электрохимическая обработка
The article is devoted to studying the influence of technological parameters of electrochemical dimensional processing mode on the structure and physical and mechanical parameters of the die engraving working sections, which made it possible to recommend this method as a finishing operation in the manufacture of forging dies.
DIE TOOLING, ELECTROCHEMICAL TREATMENT, SURFACE LAYER, PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS, DIE DURABILITY.
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
В производстве авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) для получения заготовок таких ответственных деталей, как лопатки роторов компрессора и турбин используется в основном штамповка, как метод, обеспечивающий расположение волокон металла лопаток в направлении действия центробежных сил. Получение лопаток направленной кристаллизацией не исключает калибрующей штамповки, требующей повышенного качества штамповой оснастки.
Стойкость и износ рабочих участков гравюры штампа в значительной степени предопределяется качеством поверхностного слоя, формируемого в процессе термической обработки и на финишных операциях технологического процесса изготовления [1].
Ранее выполненные теоретические и экспериментальные исследования [2] геометрических и физико-механических показателей рабочей поверхности штампа показали их зависимости от методов обработки, технологических параметров и характеристик материалов. На основе этих исследований определен способ финишной обработки, позволяющий приблизить возможность управления эксплуатационными показателями рабочей поверхности штампа. Таким способом является электрохимическая обработка (ЭХО) [3-8].
Проведенные исследования о механизме электрохимического формирования микрорельефа поверхности и влиянии ЭХО на микрогеометрию поверхности штамповых сталей показали возможность использования этого метода в качестве финишной операции при изготовлении ковочных штампов. Но геометрические параметры поверхности не давали полную характеристику ее качества. С целью дальнейшего изучения работоспособности поверхностного слоя штамповых сталей после ЭХО были выполнены исследования физико-механических характеристик в зависимости от параметров режима обработки [3].
2 Материалы и методы
Физическое состояние поверхности характеризуется микротвердостью, растравливанием по границам зерен, структурными изменениями и остаточными напряжениями. Для сравнения свойств поверхностей, подвергнутых ЭХО и механической обработке фрезерованием с последующей обработкой слесарным абразивным инструментом, использовались: в качестве обрабатываемых материалов штамповые стали ЭИ958 (ГОСТ 5950-2000) и 5ХНМ (ГОСТ 5950-2000); в качестве электролита и режимных параметров обработки – 20 % раствор NaNO3, кислотность электролита pH – 8,5, температура электролита – 24,5 0С, давление электролита на входе и выходе – 0,25 МПа и 0,03 МПа соответственно, напряжение – 12,5 В, плотность тока варьировалась в интервале 5-50 А/см2.
Исследовались свойства обрабатываемой поверхности процессами ЭХО: шероховатость, структурные параметры, микротвердость с помощью прибора ПМТ-3 с нагрузкой 50 г. Механические испытания на износ проводились на машине Шкода-Савина в лаборатории ОАО «ЭНИКмаш – В» (г. Воронеж) при нагрузке на ролик 200 Н, числе циклов 8,53·105 и охлаждении 0,5 % раствором K2CrO4 (хромовокислый калий). Износ определяли взвешиванием на аналитических весах Sartorius с точностью 0,0001 г.
3 Результаты исследований
Влияние технологических параметров процессов ЭХО на структуру и микротвердость поверхностного слоя было проведено в сравнении с таковым для случая традиционной механической обработки резанием. Как известно, при обработке резанием металл подвергается силовому и тепловому воздействиям. Но эти воздействия распространяются лишь на поверхностный слой, в котором происходят структурные изменения исходного материала. Схематично поверхностный слой материала, подвергнувшегося обработке резанием [9], показан на рисунке 1, а.
Физика процесса образования поверхности при ЭХО имеет иной характер: отсутствуют силовые и температурные воздействия на обрабатываемую деталь и, следовательно, отсутствуют структурные изменения поверхностного слоя (рис. 1, б) [10]. Исследования, проведенные в металлографической лаборатории АО «Конструкторское бюро химавтоматики» (г. Воронеж), показали, что при ЭХО с плотностью тока 20 А/см2 изменение структуры поверхностного слоя по сравнению с основным металлом не наблюдается [11].
При изучении влияния режимов ЭХО на изменение структуры обработка образцов из стали ЭИ958 производилась при указанных выше прочих параметрах на различных плотностях тока: 5, 10, 20, 30, 40 и 50 А/см2. Исследования показали, что с увеличением плотности тока происходит уменьшение шероховатости, а структурных изменений поверхностного слоя не наблюдалось. Полученные результаты хорошо согласуются с данными, приведенными в работе [12].
а – при обработке резанием, б – при ЭХО; 1 – пленка окисла, 2 – зона максимального
термического воздействия, 3 – пластически деформированная зона; 4 – исходная структура
Рисунок 1 – Структура поверхностного слоя металла и ее отличия от исходной структуры
1. Timoshchenko V. A., Ivanov V. I. Increasing the resistance of separating dies // Mashinostroitel. 1991. № 1. S. 27.
2. Vishnevsky N. S., Konstantinov V. F. Increasing the durability of separating dies. M. : Mashinostroenie, 1984. 120 p.
3. Boldyrev A. I., Boldyrev A. A., Grigorash V. V. Influence of regime parameters of the anodic dissolution process on ensuring the quality of electrochemical shaping // Bulletin of the Voronezh State Technical University. 2017. V. 13. № 4. S. 98-104.
4. Santos E., Schmickler W. Catalysis in Electrochemistry. From Fundamentals to Strategies for Fuel Cell Development. New Jersey: John Wiley & Sons. Inc. Hoboken, 2011. 516 p.
5. Wendt H., Kreysa G. The Scope and History of Electrochemical Engineering // Electrochemical Engineering. 1999. № 4. P. 1-7.
6. Stankovic V. Electrochemical Engineering – its appearance, evolution and present status. Approaching an anniversary // Journal of Electrochemical Science and Engineering. 2012. № 2. P. 1-14.
7. Bebelis S., Bouzek K., Cornell A., Ferreira M. G. S., Kelsall G. H., Lapicque F., Ponce de León C., Rodrigo M. A., Walsh F. C. Highlights during the development of electrochemical engineering // Chemical Engineering Research and Design. 2013. № 91(10). P. 1998-2020.
8. Hawkins W. A. Electrochemical turning adds a new dimension // Metalworking Production. 2018. V. 114. № 12. P. 49-51.
9. Sulima A. M., Shulov V. A., Yagodkin D. Yu. Surface layer and operational properties of machine parts. M. : Mashinostroenie, 1988. 240 p.
10. Formalization of the stress-strain state of a part with a movable boundary under conditions of electric and combined shaping / A. I. Boldyrev, S. V. Usov, A. A. Boldyrev, V. A. Nilov // Bulletin of the Voronezh State Technical University. 2014. V. 10. № 1. S. 16-19.
11. Optimization of technological processes of electrochemical processing of machine parts / A. A. Boldyrev, A. I. Boldyrev, A. V. Mandrykin, A. V. Perova // Bulletin of the Voronezh State Technical University. 2017. V. 13. № 2. S. 107-113.
12. Gritzner G., Kreysa G. Nomenclature, symbols and definitions in electrochemical engineering // Pure and Applied Chemistry. 2009. № 65. P. 1009-1020.
13. Technology of electrochemical processing of parts in aircraft engine building / V. A. Shmanev [et al.]. M. : Mashinostroenie, 1986. 168 p.
14. Shiryaev V. Yu., Plaksin V. A., Saushkin B. P. Finishing electrochemical treatment of cavities of large-sized dies and molds // Electronic processing of materials. 2013. № 6. S. 3-8.
15. Mitryushin E. A., Morgunov Yu. A., Saushkin S. B. Unified technologies for manufacturing stamps using electrophysical processing methods // Metallobrabotka. 2010. № 2. S. 42-45.
