Способ обработки металлов и сплавов

 

СПОСОБ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ абразивным ивструмеит 11 на токопроводной связке в среде электролита , отличающийся тем, что, с целью повьшения качества обработки и снижения энергоемкости процесса, на инструмент или обрабатываемую заготовку подают потенциал.

..SU„„1027 0 А

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (3I5g В 2 3 P 1/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРИТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

К Б

ТЕНИЯ . (21) 3431345/25-08

;(22) 30.04.. 82 (46) 07.07.83. Бюл. Р 25 (72) М.Я. Чмир, В.A. Могильников и A.Ñ.. Шлыков (71) Тульский ордена Трудового Красного Знамени политехнический инсти-. тут .. (53) 621. 9. 047(088. 8) (56) 1. Подураев В.Н. и др. Физико- химические методы обработки. М., .1973, с. 149. (54) (57) СПОСОБ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И

СПЛАВОВ абразивным инструментом на

:токопроводной связке в среде электролита, отличающийся тем, что, с целью повышения качества. обработки и снижения энергоемкости процесса, на инструмент или обрабатываемую заготовку подают потенциал.

1027007 элементом из природного алмаза или синтетического поликристаллического материала (карбонит, исмит, балас, гексанит) с поляризацией заготовки (фиг. 1) и инструмента (фиг. 2), а также к сверлению отверстий алмаз30 ными сверлами с нанесенным.гальваническим способом рабочим алмазоносным слоем при поляризации инструмента (фиг. 3 ) и заготовки (фиг.4) .Принципиальная электрическая схема

35 источника поляризации представлена на фиг. 5. На фиг. б показан энерге тический (потенциальный) рельеф сплава ЮН14ДК24 над поверхностным слоем, а на фиг. 7 его микрострук40 тура, Химические связи в карбидах, входящих в состав твердых сплавов, характер их изменения представлены соответственно на фиг. 8 и 9.

На фиг. 1-4 приняты следующие

45 обозначения: заготовка 1, инструмент 2, токопровод 3, сопла 4 для подвода рабочей жидкости, и направления вращения инструмента и рабочей подачи, Д (5, С ) - клемма для

50 подвода электрического потенциала от источника питания. На фиг. 5 Тр понижающий трансформатор, М - выпрямительный мост, Д,Ь, С вЂ” клеммы источника соответственно для поляризации отрицательным, положительным и переменным потенциалом. На фиг. 6 и 7 кристаллиты 5 (зерна сплава), включения б (примеси), Ы и - фазы . сплава, % — энергетический рельеф.

На фиг. 9 1 - направление снижения энергии металлической связи Ме-С, П вЂ” направление роста энергии ковалентной связи MeгМе и снижение энергии металлической связи Me:Me.

Способ-осуществляется следующим

65 образом.

Изобретение относится к электрофизическим и электрбхимическим методам . обработки, в частности к комбинированным способам обработки металлов и сплавов, сочетающим воздействие абразивного инструмента и электрического потенциала на обрабатываемую поверхность, и может быть использовано при различных схемах шлифования, хонингования, доводки, суперфиниширования и выглаживания.

Известны способы точения и свер ления с применением электрического. тока, предусматривающие регулирование естественной термо-ЭДС при:проведении указанных операций и возможность управления эффектом ее действия за счет ввода дополнительного электрического тока, протекающего между инструментом и заготовкой, вследствие приложения внешней ЭДС от специального источника питания, где внешняя положительная ЭДС (усиливающая ток термо-ЭДС) ускоряет доставку электронов к поверхностям электродов, повышает ионизацию кислорода и остаточную миграцию заряженных частиц 1 .

Отрицательная внешняя ЭДС, напротив, затрудняет миграцию необходимых для ионизации кислорода электронов.

Если в первом случае окисление на контактных поверхностях интенсифицируется„ то во втором — .интенсивность окислительных процессов снижается, способствуя образованию тонких и прочных пленок. Оба отмеченных фактора ведут к повышению стойкости инструмента и улучшению процесса резания. 4 з

В межэлектродном промежутке (МЭП) при этом в результате наличия высокой напряженности электрического поля протекают слабые или сильные токи, электрические разряды. При протекании сильных токов выделяется значительное количество теплоты. Изменение химического состояния контактирующих поверхностей способствует интенсификации съема припуска при совмещении действия электрического тока с резанием резцом или со сверлением.

К недостаткам известных способов обработки относятся: наличие допол- . нительных агрегатов и устройств, усложняющих обслуживание и эксплуатацию установок, увеличивающих потребность в производственных площадях; низкое качество обработки и наличие дефектов поверхностного слоя в результате электрических разрядов в МЭП; наличие макродефектов на .У обрабатываемой поверхности в резуль тате локальных коротких замыканий электродов; необходимость введения значительного количества энергии в зону обработки, что удорожает стоимость изготовления деталей; электрическая энергия, используемая для интенсификации съема при точении или сверлении, не регулируется, не дозируется подводится без учета свойств обрабатываемого материала и его структуры.

Цель изобретения - повышение качества обработки и снижение энергоемкости процессов обработки метал-!

О лов и сплавов.

Поставленная цель достигается тем, что в процессе обработки абразивным инструментом с использованием токопроводной рабочей жидкости 5 на инструмент или обрабатываемую заготовку подают, потенциал.

Для поляризации электрода используют постоянное напряжение положительной или отрицательной полярности, или же -переменное напряжение.

На чертежах приведены примеры реалиэации способа применительно к точению резцом, оснащенным режущим

1027007

Элемент

Включают привод инструмента 2 (фиг. 3 и 4) или заготовки 1 (фиг.1) и 2, через сопло 4 подают в зону обработки рабочую жидкость, на заготовку 1 или инструмент 2 подают электрический потенциал путем соединения клеммы A(B,С) (фиг. 1-4) с одной из клемм источника поляризации А,В или С (фиг.5), получая соответственно отрицательный положительный или переменный потенциал.

Схема обработки (фиг. 3 и 4 ) может быть реализована при внутреннем шлифовании и хонинговании при наличии возвратно-поступательного движения инструмента. !5

Органами управления станком устанавливают рабочие режимы, заготовка 1 и инструмент 2 сближаются,. вступают во взаимодействие, производится съем припуска. В результате отсутствия тока в пространстве между ними, наличия несовершенств структуры металлов и сплавов под воздействием абразива H электрического потенциала при обработке набюнодается усиленное проявление структурно-чувствительных. свойств материала, выражающееся в электрохими. ческой гетерогенности (ЭХГ) поверхности, т.е. различное значение потенциалов ф на различных микроучаст- -ЗО ках обрабатываемой поверхности $ (Фиг.б) вследствие негомогенности ее энергетического рельефа. ЭХГ проявляется на границах зерен, фаз, блоков, различных включейий, микро- 35 неРовностей, микротрещин,. пор. Проявление ЭХГ определяется характером микроструктуры материала, его химическим составом,-в большей степени проявляются на.поверхности круп" 4О .нозернистых сплавов, к которым от носятся магйитнотвердые сплавы, а также - металлокерамические твердые.

Указанная ЭХ1" поверхности создается в результате различной поляризуемости составляющих сплав хими.:ческих элементов и элементов микроструктуры - зерен, фаз, блоков, включений (фиг. 7). Разность потенциалов между кристаллитами (зернами) и включениями составляет 20-- 50

25 мВ, между соседними зернами - 15;20 мВ, на границах блоков и фазТ. С 2 2 2 .Ti 2 2 б 2 б 2 2

V 2 2. б 2 б 3 2

4-5 мВ (фиг. 6). В результате взаимодействия микроучастков поверхности, имеющих различные потенциалы поляризации, осуществляется более эффективное.микрорезание при пониженных нагрузках на режущий элемент и силах трения, более низких температурах в зоне обработки и при полном отсутствии выделения Джоулева тепла. Обработку ведут в условиях снижения влияния термомеханической активации краевых дислокаций, расположенных на границе фаз между фазами различной твердости, на их взаимодействие с включениями, что исключает возможность зарождения микротрещин в хрупких элементах микроструктуры. Кроме того, окруженные полем упругих напряжений области над краевыми дислокациями испытывают напряжения сжатия, а под ними - растяжения, т.е. образуется поле сдвиговых искажений, влияющее на взаимодействие дислокаций: между собой и с дефектами упаковки, на образование субмикроэлектрохимической гетерогенности. Примеси, ðàñположенные вблизи дислокаций, в обычных условиях создают атмосферу

Коттрела, препятствующую движению дислокаций и закрепляющую их. Наличие участков с различной величиной потенциала поляризации способствует усилению движения дислокаций, снижению сопротивления материала микрорезанию.

ЭХГ поверхности меняет энергетическое состояние атомов и электронную структуру поверхности в наибольшей степени-в металлах и сплавах, имеющих в своем составе переходные элементы Со, Ni, Fe, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Ма, Hf, Та, N.

В основе сопротивления материалов микрорезанию, в частности сплавЬв на основе переходных металлов, лежит характер (фиг. 8 ) и энергия химических связей (фиг. 9) в карбидах, и электронное строение компонентов, входящих в состав наиболее широко используемых конструкционных и инструментальных материалов ° В табл. 1 представлено электронное строение элементов °

Таблица 1

1027007

Продолжение табл, 1

Элемент

Cr 2 2 6 2 6. 5 1

Fe 2 2 6 2 6 6 2

Со 2 2 6 2 6 7 2

Ni 2 2 6 2 6 8 Z

2r 2 2 6 2 6 10 .2 6 2 2

Nb 2 2 б, 2 6 10 2 6 4 1

Мо г 2 6 г 6 10 >i2 6 1

Hf 2 2 б 2 .б 10 2 б 10 14 2 6 2

2 6 2 6

Химические связи обозначаются следующим образом: металлическая

Ме — С, Ме - Ме, ковалентная Me:Ne>

С:С, ковалентно-металлическая резонирующая связь Ме:Ме. В сплавах на основе карбидов в нормальном состоянии энергия металлической связи

Ме-С уменьшается внутри групп периодической системы элементов

Д.И. Менделеева в сторону увеличения атомного нсВ ера карбидообразую-. щего металла (фиг. 9, направление 1)

При подведении дополнительного потенциала в процессе съема нрипуска происходит возбуждение и удаление отдельных атомов из решетки карбидов. Так, при удалении атомов углерода разрывается металлическая связь Ме-С, освободившиеся электроны металла переходят в состояние, соответствующее усилению взаимодействия Ме-Ме, поскольку S P - конфигурации остальных атомов углерода стабилизируются нелокализованными электронами металла, электронное равновесие между связями Ме-Ме и

Ме-С нарушается. Прочность межатомной связи, определяемая в основном незаполненными конфигурациями, нарушается. Нарушение связывающей стабильности электронных конфигураций атомов способствует понижению энергии за счет усиления резонирующей ковалентно-металлической связи.

Та 2 .2 б 2 6 1

Дестабилизация электронных конфигураций и изменение электронной структуры поверхностных слоев вызывают нарушение энергетической

0 2 6 10 14 2 6 3 2 ,i

0 2 б: 10 14 2 6 4 устойчивости свободных полузаполу);неиных и полностью заполненных орбиталей. Перераспределение электронов по состояниям приводит к нарушению всех связей в зависимости от состояния последнего 8 -подуровня

З5 элемента. Энергетические потери при разрыве ковалентных связей Ме:С не компенсируются при образовании дополнительных связей Ме-Ме. Рост деФицита атомов углерода в карбидах снижает йх устойчивость и .суммарную прочность металлических связей в результате снижения термодинамической устойчивости системы. Снижение термодинамической устойчивости влечет за собой снижение энер45 гетических затрат на микрорезание.

Разность потенциалов между отдельными элементами микро- и макроструктуры не достигает значения потенциалов анодного растворения ме5О таллов, входящих в состав известных сплавов, поэтому электрохимического растворения (ЭХР) обрабатываемой поверхности не наблюдается.

Протекающие между многочисленными .55 микроучастками с различными потенциалами поляризации микротоки не осуществляют ЭХР, электрохимические реакции в МЭП,отсутствуют. На обрабатываемой поверхности заготовки и на рабочей поверхности инструмента пассивная пленка не появляется. Токопроводная рабочая жидкость служит для протекания мнкротоков между имеющими различный электрический потенциал элементами микроструктуры и

Я5 для передачи потенциала с одного

1027007 электрода на другой, Отсутствие пассивных пленок и токов между электродами являются залогом поддержания одинакового потенциала на обоих электродах. После вступления во взаимодействие инструмента с заготовкой на них устанавливается одинаковый усредненный потенциал. Облегчение съема материала достигается в ре зультате проявления микроэлектрохимической гетерогенности обрабаты- 10 ваемой поверхности, т.е. является результатом проявления взаимодействия микроучастков, влекущего эа собой изменение состояния электронной структуры материала. действие микроэлектрохимической гетерогенности усиливается от воздействия. абразивных зерен, Что сопровождается снижением работы, необходимой для микроразрушения"принуска, и лежит в основе снижения энергоемкости процесса..Так как к электродам подсоединяется только один полюс иск точника питания:, . то дополнительная электрическая эйбли ия для реализации предлагаемаго сиособа .обработки не требуемся. На ьглифоеальных, за.точных, хонийговальных:, доводочных и суперфинишиых станках для этих целей могут бый применены понижающие трайсфщйютОры. цейей управления и Енгнализации . Из. уСЛовий соблюдения техники безопасности напряжение . поляризацйи : не: должно, превышать

Зб. В ..

Пример. Обработка по пред- . 35 лагаемому способу .была реализована: . при сверлении, точении н шлифбва-нии., для чего использовалвсь стан" ки моделей 2Н118, 1К62,.3Зб42, 3К225В. На всех станках оеуществля-. ф} лась изоляция либо инструмента,, либо заготовки от корпуса. станка, устанавливался выпрямительный мост (М ) - однофазная .двухполупериодная схема (фиг. 5), на не имеющих сис«, ":-- темы охлаждения — бак для электролита и насос для его подачи в зону обработки.

На токарном станке (фиг. 1 и 2 обрабатывались нержавеющая сталь, вольфрам и молибден. Инструментом служили резцы, оснащенные поликристаллами из карбонита. Сверление отверстий (фиг. 3 и 4) осуществлялось в нержавеющих сталях и молибдене. При обработке шлифованием обрабатывались металлокерамические твердые и магнитнотвердые сплавы.

За базовый способ принят способ точения резцом с подводом технологического тока от источника питания и способ сверления, при котором действие естественной термо-ЭДС усиливается подведением напряжения к заготовке и инструменту от внешнего источника постоянного тока.

При обработке по базовому способу использовались электромашинный и статический выпрямитель.

Сравнительные испытания показали, что при обработке по предлагаемому способу снижается абсолютная и удельная энергоемкость, повышаются стойкость инструмента и качество поверхности при достаточно высокой производительности.

При шлифовании использовались круги w различных металлических связках, отличающиеся концентрацией и зернистостью алмазов. При обРабоТке твердых сплавов применялся . водный электролит на основе N HPO+ и Яа0СО, а при обработке магнитов - на основе NaiXOg u KBr. Измерение электрохимической гетерогенности производилось ламповым вольтметром

ВК7-9 с использованием стеклянных капилляров диаметром отверстия 101:5 мкм относительно платинового электрода сравнения. Данные сравнительных испытаний в режиме шлифования сведены в таблицу 2.

1027007

I 0I ю м е

»0 ф

0)МН

kmv о ее

)- н Р» с

6 ф

5 53

1.»

1 Ф) Х он !

» 0 Р ао

Ю с

)с

) б

0Э с »!» (Ч

CO с

IA

1.I

1 0)

ФХФ ф ф

Фжн

x):o оее м н Р»!

»

I »0 Х он !

» 0 ао ж 5 д

O) 0) Х

)с с

tt о

0 0) )» с

Ю.

» »Ъ с

Ch (Ч

О) ж вбей 1 хе н. 1

1 а

Cl сч о.

° 4 т.) ° )

)»0

)ч

»с

Це Ul о сч 0

)) о

))

„М

М 1 ЕО а! ао

vo

„ 3

Il!

° !»

Ж )

Q I

»))

V l а г) 1

Х 1

63 1

1 ф 1

63 I

Ц 1

l

l. 1

1

I!

I

I

I !

1 I о и

Я )ъ»0 1 I

ВЕН N I о н о алло у

I с жом>5i хауфоа нхееаж ехаоею ойнокф а!8 хоо а В еоо

or.ao

Ill 1 ое) н о. нео) .ее о ): oat

V 5

1027007 э !! э И й

l (l (с 1

Ж

I

I ! <«

„, 4 о ". х и

Е 6( э х

3 о

I 4

1 Д

1 Э н

3 Я

1 (I

1 !

1 с.

@ф6 оо

I C4 ) 3 ь с (М

0Ъ

C)

° Ф

М ь

° 3 1 г«

I

I йэ

Я 13

zK б

zeu оон

ЙЭК

uom

o(. "e ход

3 вел

1 ЮХф

«ЮХН х(." о оее

1 а ! . с

I

I

I

1 .3 ь с (- с

1 144он"

1 1 4V

o,о

I ЭХЙ .1 Х 333« I I (««ЭХ ! 1 .

1h с

1. е.«1. цфис

II lou

I X f 003

u.g <

3 Х

1И! 1 ! О(1 1 фД.

I N(» Д

1 ХЭН..

o3 и

I I «2ЦХ дхо

1 3

С4 с

° Ф

I

1Л а а с с Ф . »« Ф

1

I

I

1 !

«

СЧ

I !

3

1

I!

I

CO (Ч

1 .I

1 Э 1

В 1 ое

I I

1;. б 1.

1 О 1

1 О

1 И I хб ээ ф РаД( 1 1

I о хх, эо о I

l3I

CV (3

«а («Н

l к th

О сс.

П(lo («о

«О юн во

Х 4

ДФ

Ц, О. 3(:

И Э х х

О33Х.И ! о х х ео

Я.Н I

mom охо

ДД нэо

ОН(:

I Ф

«OV

ДД 5 йо

Oe4 и нао о

v о о

Й !

N. 3 I

О I

° Э

Н 1

Э .1

М 1

Х 1

Э 1

6 1

Я 1»Ф

R l5

;:(х l e

1 Щ

1 Э

I Ц

I С.) 3

1 °

1 1

"б

I 1

l .I

I

I gCC

I файф эхн

„ v оээ

1 (::.н

I 1

О( ф д .сХ оно

Д3 0

1 и« с

1 сО

1 сЧ

I

1

I

I ь ю

% «

1

l

I

1

I о хео

I 4V оэо

«O)4

Дй"„

О(:И.х(Й «,ЬЙЭН4 оояйфх5фф

ДДНV-33 ЭО

Ы 33 33 Н -a Z a юхэьнэооы

yZeug«(Ixou

1 Н «

Х «НЯ«3 э о д ддЙоо хххни

C_#_Э

r, аеоф

1027007

Испытания показали, что несмотря на значительную производительности базового способа, его применение при обработке твердых и магнитнотвердых сплавов нежелательно, так как сопровождается повышенным износом инструмента и энергоемкостью.

На обработанной поверхности сплава

ВК15 создается сетка микротрещин, а поверхностный слой обеэуглероживается в результате прохождения меж- 10 ду электродами контактно-дуговых токов и выделения Джоулева тепла.

Таким образом, базовый способ может быть рекомендован на операциях предваритеЛьной. обработки твердых 15 сплавов с оставлением значительного припуска. В ряде случаев дефектный слой превышает грипуск, существующий у твердосплавных заготовок после их спекания. Для обработки магнитных сплавов способ вообще не применим, так как сопровождается макродефектами поверхности, исправление которых на последующих операциях невозможно.

Применение способа позволяет совмещать в одной операции предварительную и окончательную обработку, полностью исключает прижоги электрического происхождения, создает воэможность сохранения исходной структуры поверхностного слоя или получение заданной.

1027007

@vz, 7

Т16 — М вЂ” 1Р54 2 ! L

1 Z1 б — МЬ6 — ХО б

} щ4 -таб -&6

ФиаЯ П ие — 4 } е ме — е

:. Фиг.8

Заказ 4639/18 Тираж 1106 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Р. Никматулин

Редактор A . Долинич Техред A.Áàáèíåö Корректор Л. omuas

Л БО3айаи