Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ АНОДНО-АБРАЗИВНОМ ПОЛИРОВАНИИ КАНАЛОВ ВОЛНОВОДОВ МАЛОГО СЕЧЕНИЯ

Трифанов В.И. 1, 2 Суханова О.А. 2 Карелина Е.А. 2 Шестаков И.Я. 2
1 ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
2 ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева»
Рассматривается проблема снижения и выравнивания шероховатости поверхности каналов труб малого сечения анодно-абразивным полированием (ААП). Изготовление каналов труб малого сечения волочением приводит к неравномерной шероховатости поверхности в поперечном направлении Ra = 0,24 мкм, в продольном направлении Ra = 0,16 мкм, что требует снижения и выравнивания шероховатости. Предметом исследования является аналитическое определение влияния параметров анодно-абразивного полирования на снижение шероховатости поверхности каналов труб малого сечения. Анодно-абразивное полирование обрабатываемой поверхности осуществляется при совместном абразивном и анодном воздействии импульсным током на микронеровности обрабатываемой поверхности. При колебании эластичного абразивонесущего катода-инструмента (ЭАКИ), изготовленного из синтетического каучука, смешанного с абразивом электрокорунда с зернистостью 40–28 мкм, и катода, выполненного из графита, создается бегущее импульсное электрическое поле и происходит абразивное удаление оксидной пленки толщиной 0,01 мкм с микронеровностями обрабатываемой поверхности в проточном электролите 15 % NaNO3. При этом повышается степень локализации анодного растворения микронеровностей с сохранением исходной точности канала ± 0,02 мм и удалением минимального припуска. Для исследования используются схема анодно-абразивного полирования, аналитические зависимости ААП, а также формула для оценки шероховатости поверхности.
анодно-абразивное полирование
плотность тока
скважность импульсов тока
абразивное полирование
1. Синькевич Ю.В., Шелег В.К., Янковский И.Н., Беляев Г.Я. Электроимпульсное полирование на основе железа, хрома и никеля. Минск: БНТУ, 2014. 325 с.
2. Трифанов И.В., Оборина Л.И., Рыжов Д.Р., Сутягин А.В., Малько Л.С., Трифанов В.И. Способ анодно-абразивного полирования отверстий // Патент РФ 2588953 Патентообладатель СибГАУ. 2010. Бюл № 19.
3. Строшков В.П., Категоренко Ю.И. Электрохимическое формообразование инструмента, литейной оснастки, деталей машин: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф-пед. ун-та, 2016. 257с.
4. Королев А.Ю., Алексеев Ю.Г., Нисс В.С., Паршуто А.Э. Электролитно-плазменная обработка в управляемых импульсных режимах // Наука и техника. 2021. Т. 20. № 4. С. 279–286.
5. Любимов В.В., Полутин Ю.В., Бородин В.В. Технология и экономика электрохимической обработки / Под ред. Ф.В. Седыкина. М.: Машиностроение, 1980. 192 с.
6. Волгин В.М., Сидоров В.Н., Кабанова Т.Б., Давыдов А.Д. Влияние формы импульсов напряжения на электрохимическую обработку // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 10. С. 611–618.
7. Трифанов В.И., Карелина Е.А., Суханова О.А., Трифанов И.В. Исследование параметров процесса анодно-абразивного полирования каналов малого сечения // Современные наукоемкие технологии. 2020. № 11. С. 79–86.
8. Надараиа Ц.Г., Бабкина Л.А., Шестаков И.Я. Электрохимическое полирование металлов в водных растворах нейтральных солей с вибрацией электрода: монография. Красноярск: Сибирский государственный аэрокосмический университет, 2014. 117 с.
9. Маслов Е.Н. Теория шлифования материалов. М.: Машиностроение, 1974. 319 с.
10. Димов Ю.В. Обработка деталей эластичным инструментом: справочник. Иркутск: Издательство Иркутского государственного технического университета, 2013. 484 с.
11. Тамаркин М.А., Тищенко Э.Э., Верченко А.В., Коханюк А.Г. Обеспечение шероховатости поверхности детали при гидроабразивной резке заготовок из стали // Машиностроение и техносфера XXI века: сборник трудов XXVI международной научно-технической конференции (Донецк – Севастополь, 23–29 сентября 2019 г.). Донецк – Севастополь: Донецкий национальный технический университет, 2019. С. 398–401.
12. Силы и мощность резания. [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/preview/3978301/page:9/ (дата обращения: 05.05.2022).

Актуальной проблемой является снижение и выравнивание шероховатости поверхности каналов труб малого сечения после их изготовления волочением или деформирующим протягиванием.

Целью настоящей работы является получение и анализ формулы для расчета снижения и выравнивания шероховатости обрабатываемой поверхности каналов при анодно-абразивном полировании (ААП).

Материалы и методы исследования

В настоящей работе при рассмотрении уменьшения и выравнивания шероховатости поверхности анодно-абразивным полированием исследуется зависимость установившейся шероховатости в процессе анодного растворения микронеровностей бегущим импульсным электрическим током в проточном пассивирующем электролите 15 % NaNO3, а также формирование шероховатости поверхности за счет удаления оксидной пленки абразивными зернами эластичного абразивонесущего катода-инструмента (ЭАКИ).

На основе указанных исследований получена формула для оценки шероховатости поверхности при анодно-абразивном полировании каналов труб малого сечения, выполненных из сплава 32НКД.

Для уменьшения и выравнивания шероховатости поверхности каналов малого сечения, например 7х4 мм, 5х3 мм, может быть применен метод анодно-абразивного полирования (АПП) импульсным током [1]. Анодно-абразивное полирование [2] представляет собой совмещенный процесс анодного растворения микронеровностей под действием импульсного электрического тока в пассивирующем проточном электролите 6–15 % NaNO3, при одновременной активации гребешков микронеровностей путем удаления пассивирующей анодной пленки толщиной 0,01–0,1 мкм абразивонесущей частью эластичного катода – инструмента (АЭКИ) путем колебания его с частотой 20–50 Гц с перемещением в продольном направлении со скоростью 60–120 мм/мин. При этом создается бегущее импульсное электрическое поле на обрабатываемой поверхности с импульсным напряжением U(t) [2–4]:

missing image file, (1)

где Тс – постоянная времени спада, с; Un – напряжение на электродах от источников постоянного тока, В; tu – длительность импульса напряжения, с.

Величина среднего импульса тока Itu, создаваемого импульсным напряжением U(t), может быть определена по формуле

missing image file (2)

где missing image file – кривая тока от времени в импульсе; I0 – максимальный ток в импульсе; Тс – постоянная времени спада тока в импульсе.

Применение импульсного тока позволяет повысить степень локализации анодного растворения микронеровностей, стабилизировать параметры электролита в межэлектродном зазоре, обеспечить сохранение исходной точности и формирование равномерной шероховатости поверхности по длине обрабатываемого канала [3].

На степень локализации при анодном растворении микронеровностей влияют различное распределение на микровыступах и микровпадинах плотности тока, выхода по току, эффективной электропроводности электролита, а также величина межэлектродного зазора. В пассивирующем электролите 15 % NaNO3 падение напряжения на микровыступах ΔUm может составлять до 1,7 В, а на микровпадинах ΔUd – до 2,8 В в зависимости от марки обрабатываемого материала, высоты и профиля микронеровностей, а также пассивационных процессов. Плотность тока на микровыступах и микровпадинах может отличаться в 8 раз [3]. При этом для получения требуемой шероховатости поверхности необходимо знать минимальный удаляемый припуск Zmin в зависимости от исходной и конечной шероховатости поверхности. Минимальный удаляемый припуск Zmin определяют по формуле

missing image file, (3)

где δ0 – начальный межэлектродный зазор, мм; Rисх, Rк – соответственно исходная и конечная шероховатости поверхности, мкм, kz – коэффициент, учитывающий механизм ААП и вид обрабатываемого материала, (kz = 0,1–0,15).

Уменьшение шероховатости поверхности при анодном удалении припуска следует оценивать с учетом коэффициента локализации Кl, который зависит от условий электрохимического растворения микровыступов и микровпадин обрабатываемой поверхности.

Коэффициент локализации можно определить по формуле (4)

missing image file, (4)

где εm, εd – электрохимический эквивалент растворения металла на микронеровностях и во впадинах обрабатываемой поверхности; γm, γd – плотность продуктов растворения на микронеровностях и во впадинах; tu – длительность импульса тока; im, id – плотности тока на микронеровностях и во впадинах; Zmin – величина минимального удаляемого припуска; Кi – коэффициент, учитывающий условия электрохимической обработки, Кi = 8-10; ΔR – изменение шероховатости поверхности, ΔR = Rисх – Rуст.

Необходимо отметить, что отношение плотностей тока id / im в процессе выравнивания шероховатости поверхности и изменения угла профиля микронеровностей может существенно изменяться и влиять на локализацию процесса анодного растворения. Высокую роль при этом играют частота и амплитуда импульсного напряжения U, скважность импульсов тока S, соотношение длительности импульсов tu и паузы tn [4–6].

Скважность следования импульсов напряжения и тока S рассчитывают по формуле

S =Tu / tn , (5)

где Ти – период импульсов напряжения и тока.

Импульсы напряжения с прямым передним фронтом, что экспериментально подтверждено [7], свидетельствуют об активации гребешков микронеровностей абразивонесущей поверхностью эластичного катода-инструмента (рис. 1).

missing image file

Рис. 1. Изменение импульсного напряжения Ua = 6В в межэлектродном промежутке при ААП сплава 32НКД с режимами: А = 15–17 мм, f = 20 Гц, tu = 3 мс

Установившуюся шероховатость поверхности от величины снимаемого слоя металла электрохимическим способом при средней плотности тока ic и среднем напряжении Uc на электродах, можно определить с учетом коэффициента локализации и скважности импульсов тока по формуле [8]:

missing image file

missing image file, мкм (6)

где Uc – среднее напряжение на электродах, В; ΔU – среднее падение напряжения в приэлектродных слоях, равное алгебраической сумме падений напряжений в прикатодных слоях, В; χ – удельная проводимость электролита, 1/см∙Ом; δмэз – величина межэлектродного зазора, см; T0 – время анодно-абразивной обработки, с; Кl – коэффициент локализации процесса анодного растворения; S – скважность импульсов тока.

Удаление оксидной пленки с гребешков и активация микронеровностей обрабатываемой поверхности при ААП осуществляется абразивными зернами ЭАКИ, совершающим продольные колебания с амплитудой А = 15–17 мм, частотой 20–50 Гц, длительностью импульсов тока tи = 3 мс. Сила Ра, прижимающая зерно абразива, возникает за счет упруго-восстановительной силы эластичного абразивонесущего катода-инструмента, перемещающегося навстречу потоку электролита.

Схема процесса взаимодействия единичного зерна с микронеровностями при ААП показана на рис. 2 [9].

Мощность абразивного резания Nр можно оценить по формуле

Np = Mp ∙ ω, (Н∙м)/с, (7)

где ω – частота продольных колебаний АЭКИ, 1/с; Mp – момент резания, Н∙м.

Момент резания Mp рассчитывался по формуле

Mp = Pp ∙ r, H ∙ м, (8)

где Pp – сила резания, r – радиус абразивного зерна.

Используя модель взаимодействия единичного зерна с упругопластичным материалом, силу Pp можно представить [10–12]:

Pp = Pa ∙ f ∙ Su , H, (9)

где Pа – сила давления на зерно, H/мм2; Su – площадь абразивонесущего катода-инструмента; f – коэффициент трения.

Подставив выражение (9) в формулу (8), получим

Mp = Pa ∙ f ∙ Su ∙ r , H∙м. (10)

С учетом выражения (9) Nр согласно формуле (10) можно представить в виде

Nр = Pa ∙ f ∙ Su ∙ r ∙ ω, (Н∙м)/с. (11)

Отклонение профиля установившейся шероховатости обрабатываемой поверхности после n циклов абразивного полирования определяется по формуле

missing image file, (12)

где hmax – максимальная глубина внедрения абразивного зерна в обрабатываемую поверхность, м; W – плотность распределения абразива по обрабатываемой поверхности, 1/м2; ky – коэффициент, зависящий от упругопластических свойств обрабатываемой поверхности, kу = σT / E; A – амплитуда колебаний абразивонесущего катода-инструмента, м.

missing image file

Рис. 2. Схема процесса контактного взаимодействия единичного зерна абразива и катода АЭКИ с микронеровностями обрабатываемой поверхности при ААП: 1 – микронеровности обрабатываемой поверхности; 2 – абразивное зерно эластичного абразивонесущего инструмента; 3 – катод-инструмент; 4 – силовые линии электрического поля; 5 – пассивирующая оксидная пленка; α и β – передний угол и угол резания в точке контакта К; ri – радиус скругления вершины зерна; δМЭЗ – величина межэлектродного зазора; h – глубина внедрения вершины абразивного зерна; Ра – прижимающая сила зерно абразива; Fт – сила трения; Р – нормальная сила, действующая на абразивное зерно; А, ω – амплитуда и частота колебаний ЭАИ; Vu – линейная скорость перемещения ЭАИ; Wel – скорость прокачки электролита 15 % NaNO3

Для ААП при удалении пассивных пленок вместо hmax в формуле (12) целесообразно использовать среднюю глубину hcp внедрения зерна за одну секунду в обрабатываемую поверхность, которую можно рассчитать по формуле для абразивонесущего АЭКИ:

missing image file, (13)

где Nр – мощность абразивного резания микронеровностей единичного зерна, H∙м/с; Hv – твердость обрабатываемого металла по Виккерсу, МПа; d – диаметр абразивного зерна, мкм.

Подставив (13) в (12), получим формулу для расчета установившейся шероховатости в течение 1 с [10, 11]:

missing image file (14)

или

missing image file, (15)

где T0 – время анодно-абразивной обработки, с.

Результаты исследования и их обсуждение

С учетом формул (6), (15) можно получить формулу (16) для оценки шероховатости поверхности после ААП:

missing image file, (16)

где Ran – установившаяся шероховатость; Raисх – исходная шероховатость поверхности, cм; η – выход металла по току; i – плотность тока, А/см2; εv – объемный электрохимический эквивалент обрабатываемого металла, см3/А*мин; ky – коэффициент, зависящий от упруго-пластических свойств обрабатываемой поверхности, kу = σT / E; ω – частота продольных колебаний АЭКИ, 1/с; W – плотность распределения абразива АЭКИ, 1/мм2; A – амплитуда колебания АЭКИ; Ра – нормальное давление, действующее на абразивонесущую часть АЭКИ, Н/мм2; Su – площадь абразивной части АЭКИ, мм2; f – коэффициент трения при ААП; r – радиус при вершине абразивного зерна, мм; d – диаметр абразивного зерна, мм; Hv – твердость обрабатываемого материала, Н/мм2; Кl – коэффициент локализации процесса анодного растворения; 8 – коэффициент перевода высоты выступов в параметр Ra; Т0 – время обработки, с; S – скважность импульсов тока.

Для расчета шероховатости обрабатываемой поверхности при ААП были использованы исходные данные, представленные в таблице.

Исходные данные для расчета по формуле (16) шероховатости поверхности при анодно-абразивном микрополировании каналов волноводов, выполненных из сплава 32НКД

Электрические параметры для расчета электрохимической обработки при ААП

Механо-абразивные параметры для расчета абразивного удаления оксидной пленки при ААП

εv = 0,00134 см3/А∙мин;

А = 17 мм; t = 30 с;

S = 16,63;

электролит15 % NaNO3;

KL = 0,09; i = 15 А/см2; η = 0,4

Hv = 438 н/мм2;

fтр = 0,15; ω = 20 Гц;

А = 17 мм; d = 0,040 мм;

Т0 = 30 с; Su = 216 мм2; ri = 1∙10–3 мм;

W = 2,5∙105 1/мм2;

Ра = 5 Н/мм2;

kу = 2,08∙10–3

Расчетная величина снимаемого припуска сплава 32НКД при удалении оксидной пленки абразивонесущим катодом-инструментом составила 0,14 мкм. Экспериментально установлено, что исходная обрабатываемая поверхность канала из сплава 32 НКД поперек канала была Raисх = 0,24 мкм, после ААП Raк = 0,12 мкм; вдоль канала была Raисх = 0,16 мкм, после ААП Raк = 0,10 мкм. Изменение шероховатости поверхности вдоль канала равно 0,06 мкм при средней плотности тока ic = 15 А/см2. Изменение шероховатости по формуле (16) равно 0,0452 мкм, что составляет 25 % от измеренного значения. При выходе по току равным 0,6 при ic = 20 А/см2 несовпадение составит 10 %. Диапазон изменения выхода по току небольшой, поэтому регулировать шероховатость поверхности нужно плотностью тока.

Заключение

Проведен теоретический анализ анодно-абразивного полирования каналов малого сечения. Полученная формула позволяет рассчитать снижение шероховатости поверхности в зависимости от режимов и условий анодно-абразивного полирования. Наибольшее влияние на шероховатость поверхности при ААП оказывает частота продольных колебаний АЭКИ, плотность тока и выход по току. Погрешность при оценке изменения шероховатости поверхности зависит от плотности тока.


Библиографическая ссылка

Трифанов В.И., Суханова О.А., Карелина Е.А., Шестаков И.Я. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ АНОДНО-АБРАЗИВНОМ ПОЛИРОВАНИИ КАНАЛОВ ВОЛНОВОДОВ МАЛОГО СЕЧЕНИЯ // Современные наукоемкие технологии. – 2022. – № 8. – С. 77-81;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=39270 (дата обращения: 18.06.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674