Гуляй;doc

Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСВТЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
На правах рукописи
Кононенко Роман Владимирович
ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
РЕБРИСТЫХ ТРУБ НА МЕСТЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения
диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
кандидат технических. наук,
доцент И. Г. Майзель
Иркутск - 2014
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 4
1.1. Условия работы и причины образования отложений в ребристых трубах... 8
1.2. Существующие способы обработки ребристых труб .................................. 11
1.3. Влияние параметров шероховатости трубы на коррозионную стойкость .. 14
1.4. Повышение эксплуатационных свойств труб путем совершенствования
технологического процесса обработки .................................................................. 21
1.5. Анодно-механическая обработка .................................................................. 22
1.6. Электрохонингование .................................................................................... 31
1.7. Цели и задачи исследования ......................................................................... 35
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
ЭЛЕКРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НЕПОДГОТОВЛЕННОЙ
ПОВЕРХНОСТИ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ ......................... 37
2.1. Основные закономерности процесса анодно-механической обработки ..... 37
2.2. Обработка внутренней поверхности трубы на месте эксплуатации с
наложением электрохимического процесса .......................................................... 51
2.3. Механизм процесса микрорезания при электрохимическом хонинговании ..
......................................................................................................................... 54
2.4. Процесс микрорезания алмазным зерном .................................................... 56
2.5. Моделирование процесса резания единичным алмазным зерном .............. 60
2.6. Математические модели процесса хонингования ........................................ 63
2.7. Математическая модель съема материала при электрохимической
обработки поверхностей с диэлектрическими включениями ............................... 72
Выводы по главе 2................................................................................................... 78
3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ........................... 79
3.1. Методика экспериментальных исследований .............................................. 79
3.2. Описание установки для лабораторных исследований электрохимического
хонингования поверхностей с диэлектрическими включениями или покрытием
85
3.3. Методика исследования обработанной поверхности и микрорельефа
образцов ................................................................................................................... 88
3.4. Методика исследования коррозионной стойкости обработанных образцов
90
3
3.5. Планирование экспериментов ....................................................................... 90
3.6. Методика обработки результатов и точность измерений ............................ 92
Выводы по главе 3................................................................................................... 95
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ........................ 96
4.1. Установление границ варьирования факторов, влияющих на процесс
анодно-механического хонингования .................................................................... 96
4.2. Результаты экспериментальных исследований по определению влияния
факторов на процесс анодно-механического хонингования .............................. 100
4.2.1. Общие сведения........................................................................................ 100
4.2.2. Влияние концентрации электролита на оценочные показатели ............ 101
4.2.3. Влияние частоты вращения на оценочные показатели .......................... 104
4.2.4. Влияние технологического тока на оценочные показатели................... 106
4.2.5. Влияние удельного давления инструмента на оценочные показатели . 108
4.2.6. Влияние зернистости брусков на оценочные показатели ...................... 110
4.3. Результаты исследования поверхности и физико-механических свойств
обработанной поверхности ................................................................................... 112
4.4. Результаты исследования качества обработанной поверхности и удаления
диэлектрических включений ................................................................................ 116
4.5. Исследование коррозионной стойкости обработанных образцов ............... 120
Выводы по главе 4................................................................................................. 123
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ .................................................................................................. 124
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ..................................................................... 126
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................................... 129
Приложение А МАТРИЦА-ПЛАН ПЯТИФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ... 139
Приложение Б РАСЧЕТНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ........... 140
Приложение В РЕЗУЛЬТАТ СЕРИИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ................................... 141
4
ВВЕДЕНИЕ
Основные пути решения задач перевооружения всех отраслей народного
хозяйства на основе современных достижений науки и техники связаны с
внедрением новой прогрессивной технологии и экономией материальных
ресурсов.
В производственных установках на Ангарском нефтехимическом комбинате
для осуществления теплообменных операций широко используются ребристые
трубы. От надежности и долговечности работы этих труб в значительной степени
зависит
экономическая
эффективность
работы
установки.
Повышение
надежности и долговечности работы ребристых трубы является актуальной
задачей для снижения себестоимости производимого продукта и повышения
безопасности производства.
Среднее время работы ребристой трубы составляет один год, после чего
производятся операции по механической обработке внутренней поверхности
трубы на месте эксплуатации согласно принятой технологической схеме и с ее
последующим возвратом в работу.
Причина столь быстрого выхода трубы из эксплуатации заключается в
образовании отложений на стенках трубы, которые ухудшают ее теплопроводные
свойства и нарушают постоянство технологического процесса. Образованию
отложений и методам борьбы с ними, а также продлению срока эксплуатации
теплообменных установок посвящен ряд работ [9, 13, 41, 63, 64]. Одним из
направлений борьбы с образованием отложений является технологическое
обеспечение
заданного
качества
теплообменной
поверхности
[41,
93].
Уменьшения значение шероховатости поверхности до Ra<2,5 [41] значительно
повышает стойкость поверхности к образованию отложений.
Технология обработки трубы на месте эксплуатации не позволяет получить
заданное
качество
поверхности.
Это
связано
с
технологической
наследственностью формы трубы. Труба для данного типа установок получается
путем дорнования и последующей калибровки. В связи с этим внутренняя
5
поверхность трубы имеет значительные отклонения формы [76], а это отклонение
затрудняет процесс обработки труб механическим способом. Удаление припуска
материала недопустимо, так как это приведет к уменьшению толщины стенки
трубы. В связи с этим при механическом способе удаления отложений удается
обработать только часть внутренней поверхности. Обработка ведется сходя из
условия отсутствия резания материала трубы. Поэтому имеются остатки
отложений толщиной до 1 мм, а поверхность трубы не обрабатывается.
Существующие технологии обработки труб на месте эксплуатации [48] не
обеспечивают заданного качества поверхности и полного удаления отложений с
внутренней стенки трубы. В связи с чем трубы, прошедшие обработку, имеют
меньший межремонтный срок по сравнению с новыми трубами.
Очевидная связь между качеством внутренней поверхности и скоростью
образования отложений требует от исследователя поиска оптимальных схем
технологического процесса обработки на месте эксплуатации с
учетом
технологических особенностей формы внутренней поверхности трубы. В русле
этого в диссертационной работе ставилась и решалась задача технологического
обеспечения и определения параметров процесса обработки труб на месте
эксплуатации.
Целью работы является повышение эффективности технологического
процесса обработки ребристых труб на месте эксплуатации за счет разработки
малооперационных технологий. Данная цель достигается путем применения
комбинированных
методов
обработки,
на
основе
механического
и
электрохимического воздействия на материал детали, обеспечивающих заданное
качество поверхности при минимальном удалении основного материала трубы.
Предмет исследования – повышение эффективности технологического
процесса обработки ребристых труб на месте эксплуатации за счет совмещения в
единой технологической операции этапов зачистки поверхности от остатков
отложений и формирования расчетного значения шероховатости.
6
Объект исследования – технологический процесс обработки ребристых
труб на месте эксплуатации, совмещающий в единой технологической операции
получение высокого качества обрабатываемой поверхности и максимальную
степень удаления остатков отложений.
Теоретической
технологии
базой
исследования
машиностроения
и
являются
обработки
теоретические
металлов
основы
резанием,
электрофизическими и электрохимическими технологиями.
Эмпирическая база исследования – использование современных методов
исследования
процесса
механической
обработки
с
наложением
электрохимического процесса и качества обработанной поверхности.
Научная новизна результатов исследования заключается в:
– разработке метода обработки ребристых труб на месте эксплуатации,
основанного на комбинированном воздействии на обрабатываемую поверхность и
позволяющего получать расчетное значение шероховатости при наличии
значительных отклонений формы трубы и остатков отложений;
– раскрытии закономерностей влияния режимов обработки на исследуемое
качество поверхности ребристой трубы с диэлектрическими включениями.
– выявлении закономерностей формирования шероховатости поверхности в
зависимости от технологической наследственности поверхности;
–
разработке
методики
выбора
рационального
режима
обработки,
учитывающей технологические особенности обрабатываемого изделия.
Теоретическая и практическая значимость работы.
–
На
основании
выявленных
теоретических
и
экспериментальных
исследований разработана методика выбора рациональных режимов обработки и
характеристик абразивного инструмента при электрохимической обработке
ребристых труб на месте эксплуатации.
– Разработаны технология, технологическая оснастка и оборудование для
обработки ребристых труб, обеспечивающие стабильные показатели качества
обработки по всей длине трубы.
7
– Разработана схема технологического процесса, обеспечивающая заданное
качество поверхности при обработке труб в полевых условиях.
Научные результаты, выносимые на защиту:
–
Технологический
процесс
обработки
ребристых
труб
на
месте
эксплуатации, который обеспечивает заданное качество поверхности с учетом
технологической наследственности, заключающейся в значительном отклонении
внутренней формы и наличии остатков отложений.
– Математическая модель процесса съема материала с поверхности
ребристой
трубы
с
диэлектрическим
включениями
и
закономерности
формирования поверхностного слоя.
– Закономерности влияния режимов обработки на значение шероховатости
поверхностного слоя.
–Закономерности влияния технологической наследственности детали на
исследуемые параметры поверхностного слоя.
–Рекомендации
по
разработке
и
практическому
применению
технологического процесса обработки труб на месте эксплуатации.
Апробация работы и реализация результатов диссертации.
Основные положения диссертации были доложены на 3-й и 4-й
Всероссийских научно-практических конференциях «Авимашиностроение и
транспорт Сибири» (г. Иркутск, ИрГТУ, 2013, 2014 гг.), на 3-м Международном
форуме «Инженеры будущего – 2013» (п. Большое Голоустное, 16-28 июля 2013
г.) на 5-й Международной научно-практической конференции «European Science
and Technology» (г. Мюнхен, Германия, 27-28 февраля 2014 г.).
Основные
положения
диссертации,
результаты
теоретических
и
лабораторных исследований отражены в четырех статьях, в том числе в двух
статьях журналов, рекомендованных ВАК, и в двух статьях, представленных на
симпозиумах и конференциях.
Работа
выполнена
на
машиностроения» ФГОУ ВПО
университет».
кафедре
«Оборудования
и
автоматизации
«Иркутский государственный технический
1. ПУТИ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕБРИСТЫХ ТРУБ
1.1.
Условия работы и причины образования отложений в ребристых
трубах
В установке по производству продуктов нефтехимического цикла на
Ангарском нефтехимическом комбинате используются стальные ребристые трубы
(марка
стали 20Х3МВФ-Ш,
рисунок 1.1),
которые
выступают
в
роли
теплообменных аппаратов для подогрева исходного продукта. Исходный продукт
представляет из себя газовую смесь, содержащую водород. Стоит отметить, что
наличие водорода в составе исходного продукта влияет на образование
отложений на внутренней поверхности трубы. Изучению этого влияния посвящен
ряд работ [26, 27, 34,39, 41].
Подогрев осуществляется при помощи газовых горелок, расположенных с
внешней стороны трубы по всей её длине. На выходе из аппарата продукт должен
иметь температуру приблизительно 440–570°С.
Рисунок 1.1 − Ребристая труба
При работе установки по производству продукта со временем на
внутренней поверхности ребристых труб происходит образование твердых
отложений. Природа отложений (прочность, адгезия к поверхности, химическая
стойкость и т.п.)
в основном
определяется
составом
взаимодействием с материалом теплообменной поверхности.
Рисунок 1.2 − Отложения в трубе
продукта
и его
9
При
производстве
определенных
видов
продукта
используются
металлические катализаторы на основе кобальта и никеля, в результате
использования которых в поток продукта, проходящий через ребристую трубу,
попадают ионы этих металлов. Присутствие данных ионов в отложениях
повышает их прочность.
Рисунок 1.3 − Остатки отложений в трубе
На рисунках 1.2 и 1.3 представлены фотографии внутренней поверхности
трубы с отложениями. Образование отложений негативно влияет на процесс
производства
продукта.
При
образовании
отложений
ухудшаются
теплопроводящие свойства стенок трубы, что, в свою очередь, негативно
сказывается на качестве производимого продукта. Для сохранения неизменности
параметров выходного продукта приходится повышать температуру нагрева, а
это, в свою очередь, ведет к перегреву трубы, что снижает надежность и
повышает вероятность разрушения. В период с 2010 по 2013 год по данной
причине произошло 3 аварии на Ангарском нефтехимическом комбинате.
Вопросам накипеобразования и образования отложений на внутренней
стенки теплообменных аппаратов посвящены работы А.Т. Богороша, О.Х.
Дахина, И.И Саганя, Д.Д. Калафати, Д.В. Чернышева, А.А Багаева, Н.А.
Манькина. В работах рассмотрены различные механизмы образования отложений
на
теплообменной
поверхности.
Используя
обобщенные
параметры,
характеризующие направленность протекания процесса образования отложений,
можно записать основное кинетическое уравнение в виде:
= Фас − Ф ,
где
(1.1)
10
Ф
=
=
Ф
,
( )
+(
=
(1.2)
+
,
+
)
(1.3)
( ).
(1.4)
С учетом уравнения (1.2),
=
где
( )
+
1−
( )
+
−
( )(
( )
+
+
)
≤
,
(1.5)
- величина допустимой скорости накопления осадка на теплообменной
поверхности.
В большинстве изученных работ [13, 41, 62] основными параметрами,
влияющими на скорость образования отложений, являются характеристики
самого процесса теплообмена, такие как:
W – скорость потока, м/с;
G – массовый расход потока, кг/с;
– плотность теплоносителя, кг/м3;
Re –число Рейнольдса;
q – плотность теплового потока, Вт/м2;
Τ – температура потока в канале, К;
Испарением жидкой фазы со свободной поверхности высокоскоростной
стекающей пленки, каплями, брызгами и пузырьками при кипении обусловлены
вторичным парообразование и пресыщение в локальных зонах пограничного слоя,
сопровождающиеся интенсивным зародышеобразованием и ростом кристаллов
солей жесткости, часть которых размывается струями скоростной пленки и
уносится потоком вниз (шлам), а часть закрепляется в микронеровностях
теплообменной поверхности (отложения).
Также на скорость образования отложений влияют геометрические
характеристики теплообменного аппарата и микропрофиля поверхности.
В
работах [13, 34, 41, 64] также рассматриваются эти факторы. Описан механизм
зарождения кристаллов отложений на вершинах и впадинах микропрофиля.
Сделан вывод о влиянии геометрии микропрофиля на скорость образования
отложений. Основным параметром микропрофиля, влияющим на скорость
11
образования отложений, является шероховатость поверхности и ее оценочные
параметры, такие как Ra, Rz, Rmax.
1.2.
На
Существующие способы обработки ребристых труб
сегодняшний
день
существуют
различные
способы
обработки
внутренней поверхности ребристых труб [7, 9]. Каждый из таких способов имеет
свои преимущества и недостатки. В различные периоды эксплуатации ребристых
труб на Ангарском нефтехимическом комбинате применялись разные методы
обработки внутренней поверхности труб. Впоследствии было принято решение
организовать на территории комбината механический цех по производству
ребристых труб, полностью вырабатывать ресурс труб и заменять их на новые. Но
экономические показатели такого эксплуатационного подхода оказались низкими,
в связи с чем было принято решение о возобновлении работ по обработке
ребристых труб на месте эксплуатации, основанных на новых технологических
схемах обработки.
На
данный
момент
времени
при
обработке
труб
на
Ангарском
нефтехимическом комбинате используется механический способ. В первую
очередь это связанно со спецификой отложений, образующихся при работе
установки. В состав отложений входят ионы никеля и кобальта, что делает их
достаточно прочными.
Обработка труб производится непосредственно возле установки под
открытым воздухом или навесом. Алгоритм выполнения работ следующий:
1)
Ребристая труба при помощи козлового крана извлекается из
установки (рисунок 1.4).
2)
Труба горизонтально устанавливается на стапеля (рисунок 1.5).
3)
Производится механическая обработка трубы при помощи мобильной
установки (рисунок 1.6).
4)
Для удаления срезанного материала применяется промывка трубы
водным раствором или продувка воздухом под давлением.
12
Рисунок 1.4 – Извлечение трубы козловым краном
Рисунок 1.5 – Установка труб на стапели
13
1 – приводной двигатель; 2 – передающая штанга; 3 – труба; 4- соединительная
муфта; 5 – резцовая головка; 6 – отложения.
Рисунок 1.6 – Схема обработки трубы
Однако механическая обработка не позволяет полностью удалить все
отложения с внутренней поверхности трубы. В первую очередь это связано с
отклонениями геометрической формы внутренней поверхности, и, как следствие,
невозможность удаления отложений из впадин инструментом, а во-вторых – со
спецификой работы самих теплообменных аппаратов: в результате длительной
эксплуатации и работы с перекачиваемой средой на стенках трубы образуются
различные язвенные коррозионные углубления, в которых также скапливаются
отложения. В соответствии с рекомендациями ИркутскНИИхимаша обработка
производится таким образом, чтобы минимизировать процесс резания материала
трубы. При этом допускаются локальные остатки отложений толщиной не более 2
мм.
Рассмотрим метод обработки внутренней поверхности труб, который еще
не
применяли
на
Ангарском
нефтехимическом
комбинате.
Это
метод
электрохимической обработки. Электрохимическая обработка по сравнению с
химической является более щадящей с точки зрения воздействия как на
обрабатываемую поверхность, так и на экологию. При ее применении не
требуется использование агрессивных химических соединений. В качестве
активной среды при электрохимической обработке используются электролиты на
основе различных солей и оснований. При применении электрохимической
обработки можно добиться полного удаления остатков отложений с поверхности,
14
а также достаточно малых значений шероховатости поверхности. Данный вид
обработки не требует сложного технологического оборудования. Из недостатков
электрохимической обработки можно отметить, что после ее проведения
требуется дезактивация поверхности от остатков электролита, так как последние
могут
способствовать
электрохимической
развитию
обработке
с
коррозионных
использованием
процессов.
«мягких»
При
электролитов
происходит образование оксидной пленки [8], которая влияет на скорость
удаления загрязнения и поверхностного слоя металла. В результате обработки
может
получиться
довольно
неоднородная
поверхность
с
большими
углублениями и вершинами, что отрицательно сказывается на коррозионной
стойкости детали и способствует быстрому образованию новых отложений.
1.3.
Влияние параметров шероховатости трубы на коррозионную стойкость
Одним
из
важнейших
эксплуатационных
свойств
трубы
является
коррозионная стойкость, под которой понимают способность поверхностных
слоев сопротивляться разрушающему действию внешней среды. Корродирование
металлов в значительной степени определяется их удельной активностью, которая
является свойством физико-химического состояния поверхностного слоя и
окружающей среды [93].
Величина приращения энергии ∆
в результате механической обработки
будет определяться выражением:
∆
=∆
+∆
п.
(1.6)
При этом полная внутренняя энергия любого материала до и после
механической обработки будет определяться выражениями:
=
г
+
=
г
+
,
,
(1.7)
(1.8)
где G0 и G – полная внутренняя энергия материала соответственно до
механической обработки и после нее; Gг – энергия Гиббса материала; G0M и GMвнутренняя энергия материала, возникающая вследствие дефектного строения
15
материала (дислокации, неоднородности, разности фазового состояния и т.д.)
соответственно до и после механообработки.
В свою очередь, GM и G0M связаны выражением:
=
+∆
=
+
,
(1.9)
п.
(1.10)
Подставляя в выражение (1.9) выражения (1.6) и (1.10) получим:
=
+∆
+∆
п
+∆
п
=
+
п,
(1.11)
где U0c и Uc – скрытая энергия деформирования до механической обработки
и после нее; U0п и Uп – поверхностная энергия до механической обработки и после
нее.
Поверхностная энергия определяется энергией атомов, расположенных на
поверхности, имеющих связь только с соседними и нижележащими атомами и
находящихся поэтому в неуравновешенном, неустойчивом состоянии. Благодаря
этому тонкий граничный слой, включающий в себя примерно два ряда атомов,
обладает запасом свободной поверхностной энергии.
Приращение поверхностной энергии будет определяться выражением:
∆Uп = γ∆Fф ,
где
(1.12)
– истинная поверхностная энергия; ∆
п
– изменение фактической
площади поверхностного соприкосновения детали с окружающей средой.
Оценить изменение фактической площади поверхности в процессе
механической обработки можно с помощью коэффициента пропорциональности
К:
=
ф
(1.13)
,
м
где Fф – фактическая площадь поверхности соприкосновения детали с
окружающей средой; Fм – номинальная площадь поверхности детали с учетом
макроотклонений.
Анализ профилограмм поверхностей деталей, снятых в продольном и
поперечном
направлениях
к
неровностям
поверхности
после
различной
16
механической обработки, показывает, что коэффициент пропорциональности К
может быть определен уравнением:
1
=
(1.14)
,
поп
где
поп
– угол профиля шероховатости в поперечном направлении.
Согласно данным [41], значения
углов
поп
независимо от вида
механической обработки и шероховатости поверхности не превышают 350,
следовательно, значение коэффициента пропорциональности К≤1,22, а для
большинства операций механической обработки К≤1,06.
Влиянием волнистости на фактическую площадь поверхности можно
пренебречь, так как углы профиля волнистости значительно меньше углов
профиля шероховатости [41].
Вышесказанное
позволяет сделать вывод
о том,
что в процессе
механической обработки практически не происходит изменения площади
соприкосновения обработанной поверхности с окружающей средой, т.е. ∆
ф
=0
и, следовательно, величина поверхностной энергии материала в процессе
механической обработки не изменяется:
∆
п
=0 .
(1.15)
Использование зависимостей величины скрытой энергии деформирования
от плотности дислокаций, а также эмпирических данных по связи плотности
дислокаций со степенью наклепа материала поверхностного слоя детали
позволяет получить уравнение изменения скрытой энергии деформирования в
процессе механической обработки:
=
+
п
+
+
п
(1.16)
.
п
Учитывая, что Uп=U0п и U0п<<U0c, выражение (1.16) принимает вид:
м
м
=
= 1,1
н
+4
н
− 4,1
н.
(1.17)
17
Скорость растворения (коррозии) металлического электрода в электролите
прямо пропорциональна току гальванического элемента, протекающему в цепи
«анод-катод»:
vк = Кк
г.э ,
(1.18)
где vк – скорость коррозии детали; Кк – коэффициент пропорциональности;
Iг.э. – ток гальванического элемента.
Выразив ток цепи гальванического элемента через ЭДС гальванического
элемента, а ЭДС, в свою очередь, через изменение внутренней энергии детали,
получим:
vк = Кк
∆
( эл + )
,
(1.19)
где vк – скорость коррозии детали; Кк – коэффициент пропорциональности;
Rэл – электрическое сопротивление электролита; r – электрическое сопротивление
металлов электродов; n – заряд иона; F – число Фарадея; ∆G – изменение
внутренней энергии корродирующего образца.
В
работе
[41]
сравниваются
скорости
коррозии
обработанного
и
необработанного материалов при одинаковых условиях:
vк
∆
=
.
vк
∆
(1.20)
где vк и vк0 – скорости коррозии материала детали после механической
обработки и до нее соответственно; ∆
и∆
− изменение внутренней энергии
материала детали после механической и до нее соответственно. Учитывая, что:
∆ =
∆
=
−
=
−
м,
=
(1.21)
м,
(1.22)
получаем:
vк
=
vк
м
м
= 1,1
н
+4
н
− 4,1
н.
(1.23)
Кроме внутренней энергии на коррозионную стойкость деталей будет
оказывать
влияние
и
микрогеометрия
поверхности
[103].
Это
влияние
объясняется тем, что во впадинах шероховатости поверхности возможно
18
увеличение концентрации реакционно способных частиц коррозионной среды
(чем меньше радиус впадины, тем больше концентрация частиц за счет наложения
электрических полей дна и боковых сторон впадин профиля шероховатости, что
прямопропорционально приводит к увеличению скорости коррозии детали).
Сравнивая скорости коррозии двух деталей, имеющих разные внутренние
энергии и разные микрорельефы поверхностей, можно допустить, что:
vк
∆
=
vк
∆
.
(1.24)
где rw1 и rw2 – радиусы впадин деталей.
Учитывая выражение (1.24), уравнение коррозии (1.23) принимает вид:
vк
= (1,1 н + 4 н − 4,1 н )
,
(1.25)
vк
где rw – радиус впадин рассматриваемой детали; rw0 – радиус впадин детали
сравнения.
В качестве детали сравнения принимается деталь, изготовленная из того же
материала, что и исследуемая деталь, и подвергнутая химическому травлению,
так как после данной обработки материал поверхностного слоя имеет
минимальную внутреннюю энергию, а радиусы впадин оптимальны с точки
зрения коррозионной стойкости. Радиусы впадин профиля шероховатости
поверхности детали после химического травления могут достигать значения
rw0=0,35 мм, а средний радиус профиля шероховатости исследуемой детали может
быть определен по уравнению:
=
8 ∗ 10 ∗
(1.26)
,
где tm − относительная опорная длина профиля шероховатости по средней
линии; Sm− средний шаг неровностей; Rv – глубина сглаживания.
Тогда теоретическое уравнение изменения коррозионной стойкости детали
при механической обработки имеет вид:
vк = vк (1,1
н
+4
н
− 4,1
н)
28 ∗ 10 ∗
.
(1.27)
19
Проведение экспериментальных исследовании О.Н. Федониным [94]
позволило уточнить формулу:
/
vк = vк (1,1
н
+4
н
− 4,1
н)
28 ∗ 10 ∗
(1.28)
.
Анализ уравнения (1.28) показывает, что степень влияния на коррозионную
стойкость деталей поверхностного упрочнения на порядок выше микрогеометрии
поверхности.
Для оценки коррозионной стойкости был дополнительно применен
показатель проницаемости:
П = 8,76
,
(1.29)
где П − проницаемость, мм/год; k − скорость потери массы, г/(м2ч);
−
плотность металла, г/м3.
В работе
[93] было исследовано
влияние
характеристик качества
поверхности (Ra, Rp, Rmax, Sm, tm, uн) на исследуемый параметр коррозионной
стойкости П, который находится с помощью коэффициентов отдельного
определения. С увеличением uн, Ra, Rp и Rmax коррозионная стойкость
уменьшается, а с увеличением tm и Sm – увеличивается. С учетом большой
корреляционной связи высотного параметра Ra, Rp и Rmax между собой при
дальнейшем регрессионном анализе для математического описания поверхности
отклика был введен только параметр Rmax, оказывающий наибольшее влияние на
изменение коэффициента проницаемости.
Полученное уравнение регрессии имеет следующий вид:
П = 0,068 + 0,046
н
+ 0,003
− 0,143
+ 0,044
.
(1.30)
Анализ приведенных результатов показывает, что выбор технологической
схемы обработки позволяет в значительной мере управлять коррозионной
стойкостью поверхности.
В
работе
[13]
рассмотрен
механизм
образования
отложений
на
теплообменной поверхности. Представленная на рисунке 1.7 модель включает в
себя приповерхностную зону А, в которой происходит ионное внедрение и где
20
сферические выделения на дефектах уже достигли максимального размера
радиусом R0, промежуточный слой В, где наряду с диффузией происходит рост
выделений, и чисто диффузионную зону С.
в
а
с
R0
А
В
С
( )
( )
Рисунок 1.7 – Модель образования и роста приповерхностных слоев отложений
Граница раздела между зонами А и В – ( ), а между зонами В и С – ( ).
На этих границах концентрация и ее производная по координате должны быть
непрерывны, т.е. должна соблюдаться непрерывность потока.
В работе [41] доказано, что чем выше значение шероховатость поверхности,
тем активнее идет образование отложений. Выступы микропрофиля поверхности
являются центрами зарождения кристаллов, вокруг которых начинается рост
отложений. При неинтенсивном потоке перекачиваемой жидкости или газа часть
вещества попадет во впадины, где тоже начинается образование отложений.
В работе [41] при моделировании процесса образования отложений был
введен коэффициент Кф, позволяющий учесть влияние начальной шероховатости
теплообменной поверхности (2,5<Ra<50 мкм) на скорость образования отложений
и получить уравнение для его расчета:
Кф =
( ,
(
, )
,
)
,
где Ra – среднее арифметическое отклонение точек профиля.
(1.31)
21
При значениях Ra<2,5 мкм процесс отложения твердой фазы становится
независимым от значения шероховатости поверхности. Полученные результаты
подтвердили сделанные ранее И. Д. Ройхом и В. В. Ордынской [41]
предположения об исчезновении в режимах полирования, хонингования и
доводки периодической компоненты и приближения распределения элементов
шероховатости к нормальному.
1.4.
Повышение эксплуатационных свойств труб путем совершенствования
технологического процесса обработки
Из вышеизложенного материала можно сделать вывод, что обработка
внутренней поверхности трубы до достижения заданного значения шероховатости
Ra<2,5 и максимально возможное удаление остатков отложений с обрабатываемой
поверхности позволяют в значительной мере снизить интенсивность образования
отложений и увеличить срок эксплуатации.
В связи с дефектами формы внутренней поверхности ребристых труб,
применяющихся на Ангарском нефтехимическом комбинате, после механической
обработки на поверхности остаются раковины и впадины с остатками отложений
(рисунок 1.8).
Рисунок 1.8 – Остатки отложений в трубе
Анализ состояния труб, прошедших цикл обработки механическим
способом на месте эксплуатации, показал, что оставшиеся отложения и большое
значение шероховатости получаемой поверхности (рисунок 1.8) являются
основными причинами быстрого образования новых отложений. В связи с этим
становится
актуальным
вопрос
о
разработке
технологического
процесса
22
обработки труб на месте эксплуатации с целью уменьшения значения
шероховатости и максимально полного удаления дефектного слоя материала.
Существуют
разные
технологические
схемы
обработки
внутренней
поверхности труб с целью получения заданного уровня шероховатости
поверхностей и формы трубы. К ним можно отнести механические и
электромеханические. По условиям эксплуатации ребристых труб предъявляются
требования только по минимально допустимой толщине стенки. Большинство
технологических схем обработки внутренней поверхности возможно реализовать
только в заводских условиях.
С другой стороны, существуют технологические схемы обработки
ребристых труб на месте эксплуатации, но ни одна из них не обеспечивает
расчётного
значения
шероховатости
поверхности.
Большинство
из
рассмотренных схем обработки не обеспечивают полного удаления остатков
отложений. Только химическая обработка может обеспечить полное удаление
отложений, но в виду высокой стоимости и неэкологичности она не нашла
широкого применения.
В результате механической обработки, которая была рассмотрена выше, на
поверхности остается небольшой слой отложений (не более 2 мм), удаление
которого таким методом воздействия на поверхность является сложной
технологической задачей. Поскольку ребристая труба имеет большие показатели
массы и габаритов, и транспортировать ее на завод для обработки на станке
нецелесообразно,
возникает
задача
изыскания
технологии
и
разработки
оборудования для эффективной обработки с целью повышения качества
внутренней поверхности ребристой трубы непосредственно в пределах установки,
т.е. на месте эксплуатации.
1.5.
Анодно-механическая обработка
Как было показано выше, доведение качества внутренней поверхности
ребристой трубы до оптимального состояния является одним из способов
повышения коррозионной стойкости и ресурса детали. Получение поверхности с
23
заданным значением шероховатости путем механической обработке на месте
эксплуатации является сложной технологической задачей. В связи с этим
возникает необходимость в разработке и применении новых, более совершенных
и прогрессивных технологических способов обработки внутренней поверхности
труб
с
остатками
твердых
отложений.
К
таким
способам
относятся
электрофизические и электрохимические методы обработки. С каждым годом они
приобретают
все
большее
значение
в
промышленности
и
ремонтном
способами
обработки
производстве.
Электрохимическими
и
электрофизическими
называют группу способов, в которых для удаления материала с обрабатываемой
поверхности применяется электрическая энергия. Одним из таких способов
является анодно-механическая обработка [1, 2, 5, 10, 11, 15, 21, 31, 38, 40, 51, 52,
85].
Способ анодно-механической обработки был предложен В. Н. Гусевым в
1931 году. Его суть в том, что обрабатываемую поверхность подвергают
электролитическому анодному растворению в электролите, дающем при
электролизе нерастворимый осадок обрабатываемого металла, который удаляется
механическим путем. Однако наибольшую известность анодно-механическая
обработка приобрела как процесс электрообработки в жидком стекле после того,
как в 1943 году В. Н. Гусев и И. Я. Богорад предложили использовать в качестве
электролита жидкое стекло и металлический электрод-инструмент [15, 31].
При
анодно-механической
обработке
рабочий
электрод-инструмент
присоединяется к отрицательному полюсу источника постоянного тока, а
обрабатываемая деталь – к положительному. Электроду-инструменту сообщается
главное движение относительно детали и движение подачи. В зазор между
электродами подается рабочая жидкость (электролит). Принципиальная схема
анодно-механической обработки показана на рисунке 1.9.
24
1 – обрабатываемая деталь; 2 – сопло; 3 – инструмент; 4 – контактное кольцо; 5 –
щеточное устройство.
Рисунок 1.9 – Схема процесса анодно-механической обработки
В процессе обработки электрод-инструмент перемещается по поверхности
анода-детали таким образом, чтобы зазор между ними был постоянно заполнен
электролитом. На поверхности детали образуется анодная пленка, обладающая
высоким
электрическим
сопротивлением
и
определенной
механической
прочностью.
Существует множество теорий образования анодной пленки. А. Г. Саркисов
выделяет три основные: химическую, электролитическую и коллоидную.
Электролитическая теория, сторонником которой является А. Г. Саркисов,
объясняет образование пленки на аноде как результат электрохимического
разложения электролита. При прохождении электрического тока через водный
раствор жидкого стекла на аноде происходит выделение кремнезема и кислорода:
→2
2
→2
+
+
,
+2 .
Выделяющиеся при электролизе газовые пузырьки кислорода создают в
пленке поры.
Сторонники
химической
теории
утверждают,
что
анодная
пленка
образуется в результате взаимодействия электролита с металлом детали.
Коллоидная
теория
объясняет
пленкообразование
как
результат
электрофореза жидкого стекла. Жидкое стекло представляет собой коллоидный
25
раствор, поэтому под действием электрического тока отрицательно заряженные
силикатные частицы выделяются на аноде в твердом виде. Растворение
обрабатываемого металла объясняется действием примесей (ионов хлора и
сульфатов, всегда имеющихся в жидком стекле).
Образовавшаяся
пленка
препятствует
дальнейшему
растворению
поверхности детали. Электрод-инструмент, двигаясь по поверхности анодадетали, удаляет с нее пленку, поддерживая непрерывное течение процесса
анодного растворения. При этом растворению подвергаются в основном
микровыступы
поверхности,
в
то
время
как
микровпадины
остаются
изолированными анодной пленкой, что обуславливает постепенное выравнивание
микронеровностей поверхности детали.
Подобная картина процесса съема металла характерна для обработки на
режимах с малыми значениями тока и напряжения (до 8-10 В). Обработанная
поверхность получается гладкой с малой высотой микронеровностей, но
производительность обработки в этом случае чрезвычайно мала. По данным В. Н.
Гусева [31], при обработке железа на режимах с анодной плотностью тока 1 А/см2
и рабочим напряжением 4-5 В, скорость съема припуска составляет 0,02 мм/мин, а
шероховатость Ra=0,004-0,16 мкм (Rz=0,2-1,6 мкм). Поэтому обработку на таких
режимах рекомендуется выполнять при доводочных операциях с небольшим
снятием припуска.
При больших значениях напряжения и силы тока съем металла
увеличивается за счет теплового действия электрического тока. Некоторые
исследователи [51, 52, 75] полагают, что тепловое разрушение вызвано действием
джоулевого
тепла,
выделяющегося
в
металле.
Поверхность
электрода-
инструмента и детали соприкасаются лишь в наиболее выступающих точках, т.е.
создается
так
называемый
«сеточный контакт».
Ввиду малой
площади
контактирующих участков плотность тока на них достигает значительных
величин, в результате чего возникает электрический разряд. Тепло разряда
расплавляет микровыступы поверхности анода-детали. Физика процесса подобна
процессу сварки с оплавляющимся электродом.
26
М. К. Алексеев, И. А. Богорад и Н. Р. Четыркин [1] считают, что при
анодно-механической обработке выделение тепла происходит в пленках на
микровыступах поверхности анода. Электрический ток, проходя через анодную
пленку, имеющую высокое электрическое сопротивление, разогревает её за счет
джоулевого тепла. В процессе нагрева нарастание тока имеет лавинообразный
характер вследствие отрицательного температурного коэффициента, что приводит
к мгновенному образованию большого количества тепла в пленке и на
прилегающих участках анода. В результате происходит оплавление этих
микровыступов, на месте которых образуются лунки. Продукты разрушения
электродов
удаляются
из
зоны
обработки
вращающимся
электродом-
инструментом.
Специфическим
явлением
данного
процесса
является
отсутствие
одновременного оплавления больших площадей и кратковременность процесса
оплавления, что предотвращает проникновение тепла вглубь металла. В. Н. Гусев
пишет:
«Условием
поверхностного
оплавления
металла
является:
кратковременность и интенсивность нагрева поверхности и немедленное
прекращение нагрева после удаления расплавленного металла, т.е. осуществление
нагрева мощными тепловыми импульсами».
При напряжении 17-20 В наблюдается электрическая эрозия анода-детали
благодаря
разрядам
между
ближайшими
точками
электродов
без
соприкосновения [5, 78].
На жестких электрических режимах часть выделившегося тепла успевает
проникнуть вглубь металла и за счет теплопроводности приводит к развитию
термически измененного слоя на детали. Толщина и свойства термически
измененного слоя обусловлены глубиной проникновения
температуры
в
структурных превращениях. Слой металла, нагревшийся до температуры выше
температуры закалки, называют «белым слоем». Данный слой имеет высокую
твердость, износо- и кислостойкость, что с успехом используется при
изготовлении инструмента, штампов и т.п. [42, 52].
27
Процесс анодно-механической обработки зависит от большого числа
механических и электрических параметров. Наиболее существенное влияние
оказывают напряжение, сила тока, удельное давление инструмента на деталь,
скорость относительного движения электродов [11, 15, 31, 40, 42].
Напряжение
на
электродах
обуславливает
характер
протекающих
процессов. При напряжении до 8-10 В съем металла детали происходит в
основном за счет анодного растворения. Напряжение выше этого приводит к
преобладанию электроэрозионного съема. При напряжении больше 30-40 В
возможно возникновение короткого замыкания электродов вследствие заполнения
межэлектродного зазора частицами расплавленного металла.
Электрический режим определяет интенсивность процесса и качество
обрабатываемой поверхности. Так при резке стали на режиме с рабочим
напряжением 20–28 В и плотностью тока 0,7–5 А/мм2 интенсивность съема
металла составляет 2000–6000 мм3/мин, а высота неровностей Rz= 40–160 мкм.
При чистовом шлифовании с напряжением 14–16 В и плотностью тока 0,03–0,07
А/мм2 интенсивность съема составляет 2-15 мм3/мин, а шероховатость 0,8–3,2
мкм [1, 2, 5, 42, 74, 75,].
Удельное
давление
инструмента
на
поверхность
детали
является
существенно влияющим фактором. Оно определяет величину межэлектродного
зазора и связанного с ней электрического сопротивления. Зависимость съема
металла, силы тока и рабочего напряжения от удельного давления инструмента
приведена на рисунке 1.10 [51, 52].
28
1 – давление – съем металла;
2 – давление – напряжение;
3 – давление – сила тока.
Рисунок 1.10 – Зависимость между параметрами режима и результатами
АМО
При давлении, недостаточном для разрушения пленки на аноде, сила тока
равна нулю и съем металла отсутствует. С увеличением давления сопротивление
межэлектродного промежутка уменьшается, а сила тока и съем металла растут.
Дальнейшее повышение удельного давления вызывает срыв анодной пленки на
больших площадях, вследствие чего часть тока будет проходить непосредственно
через металлический контакт между электродами. Эта часть тока не участвует в
съеме металла, что снижает производительность.
Большое влияние на процесс оказывают свойства электролита. От
плотности
его
раствора
прямо
пропорционально
зависит
величина
межэлектродного зазора.
Скорость относительного движения электродов определяет количество
тепла в рабочей зоне и влияет на скорость и степень нагрева поверхностного слоя
детали.
При
повышении
скорости
движения
электродов
шероховатость
29
поверхности и толщина термически изменяемого слоя на данном электрическом
режиме уменьшается (см. рисунки 1.11 и 1.12).
Рисунок 1.11 – Влияние
окружной
скорости
инструмента на глубину
изменяемого слоя.
Рисунок 1.12 – Влияние
окружной
скорости
инструмента
на
шероховатость поверхности.
Исследование [40] показывает, что повышение скорости движения
электродов с 3 до 18 м/с существенно уменьшает образование трещин при
анодно-механической заточке
твердосплавных резцов.
Производительность
обработки мало зависит от скорости электродов. Исследованиями В. Н. Гусева и
Г. А. Дикушина [31, 32, 36,] было доказано, что изменение скорости с 5 до 25 м/с
не приводит к значительному изменению интенсивности съема. Однако
увеличение скорости ухудшает поступление электролита в межэлектродный зазор
из-за его сноса. Ю. П. Бурочкин, А. Г. Саркисов и А. Н. Резников [85]
аналитическими исследованиями показали, что при подаче электролита в
количестве 30-50 л/мин через межэлектродный зазор проходит всего около 10 мл.
Анодно-механическая обработка имеет важное преимущество перед
абразивной обработкой и обработкой резанием – производительность и качество
обработки практически не зависят от твердости металла заготовки. К числу
достоинств АМО можно также отнести: высокую точность обработки, снижение
трудоемкости, отсутствие необходимости термической подготовки детали к
обработке, отсутствие шаржирования, уменьшение усилий резания. Последнее
30
весьма полезно при обработке металлизированного покрытия и при обработке
деталей на месте эксплуатации.
Анодно-механическая
обработка
также
позволяет
увеличить
износостойкость деталей. После анодно-механического доводочного шлифования
обработанная поверхность представляет собой совокупность большого числа
эрозионных лунок глубиной 2-4 мкм, которые не сообщаются между собой. Эти
лунки заполнены анодной пленкой, что придает поверхности глянцево-серый
цвет. Анодная пленка придает поверхности дополнительную коррозионную
стойкость.
Если в качестве электролита используется жидкое стекло, то на жестких
режимах анодно-механической обработки происходит термическое разложение
жидкого стекла с выделением кремнезема, который при высокой температуре
вступает в реакцию с железом. Часть кремния переходит в ферросилиций, а часть
образует с железом силицид. Насыщение поверхности детали кремнием, как
известно, положительно сказывается на ее износостойкости [32, 97].
Благодаря всему вышеперечисленному анодно-механическая обработка
нашла применение в машиностроении и ремонтном производстве для резки,
заточки инструмента, долбления, шлифования, притирки сопряжений, обработки
наплавленных деталей после ремонта [3, 21, 31, 36, 40, 42, 70, 84]. Наиболее
исследованными из них являются процессы анодно-механической заточки резцов
и резки, для которых разработаны многочисленные рекомендации по технологии
обработки [31, 36, 51, 52, 106] и по конструированию станков [53, 70, 75].
Существуют некоторые рекомендации по обработке отдельных деталей анодномеханическим способом [18, 20,40], но их немного.
Тем не менее этот прогрессивный способ не нашел широкого применения в
машиностроении, особенно в ремонтном производстве.
31
1.6.
Электрохонингование
Метод электрохимического хонингования был предложен В. Н. Гусевым и
Н. Н. Гусевым в 1947 году [33, 102] и является разновидностью способа анодномеханической
обработки.
Вопросами
электрохимического
хонингования
занимались В. Н. Гусев и Н. Н. Гусев, Б. И. Кан, Ю. Н. Петров, С. С. Некрасов, Л.
Л. Шор, И. Е. Фрагин, И. Н. Верховецкий, И. Д. Кейбаш, А. А. Ягуткин, И. Е.
Фрагин, В. Г. Сафронов, В. В. Веричев, Э. И. Писко, А. П. Лавриненко, В. Ф.
Карпенков и др.
Сущность данного метода состоит в одновременном механическом съеме
металла
припуска
растворении.
При
абразивным
этом
инструментом
способе
и
обрабатываемая
его
электрохимическом
деталь
соединяется
с
положительным, а корпус хонинговальной головки с отрицательным полюсом
источника постоянного тока. Хонинговальная головка, оснащенная абразивными
или
алмазными
брусками,
вводится
в
обрабатываемое
отверстие.
В
межэлектродный зазор размером 0,5-1,2 мм подается электролит. В качестве
электролита чаще всего используются водные растворы фосфорнокислых или
азотных солей. На электроды подается напряжение 3-30 В, а анодная плотность
тока составляет 0,1-10 А/см2 (наиболее используемая 0,2-1 А/см2). Инструменту
сообщается вращательное движение со скоростью 1-10 м/с и возвратнопоступательное движение 30-80 дв. х./мин. Удельное давление брусков на деталь
составляет 0,05-0,3 МПа. В процессе обработки поверхность детали подвергается
анодному растворению в электролите с образованием на ней пассивирующей
пленки. Движущийся инструмент удаляет эту пленку, тем самым активируя
поверхность
для
дальнейшего
растворения.
Шероховатость
поверхности
формируется в конце обработки за несколько двойных ходов при отключенном
технологическом токе и зависит от зернистости применяемых брусков, как при
обычном абразивном хонинговании. Высота шероховатости обычно не превышает
Rz=1,25-0,32 мкм, а среднеарифметическое отклонение профиля Ra=0,32-0,08 мкм.
Доля механического резания в зависимости от материала и режима может
32
колебаться в широких пределах – от 3-5% при обработке деталей с хромовым
покрытием [111] до 40-60% при обработке стальных и чугунных деталей [75, 105].
Д. Е. Хоганом [107] при изучении электрохонингования была сделана
попытка
использовать
хонинговальные
бруски
в
качестве
катода.
Но
обнаружились явления, мешающие процессу. Зазор между инструментом и
деталью невелик и составляет величину, равную величине выступания зерна из
связки. Такой малый зазор затрудняет доступ электролита и удаление продуктов
обработки из межэлектродного зазора. Это послужило причиной уменьшения
металлосъема
и
ухудшения
качества
поверхности
вследствие
короткого
замыкания.
В работе [18] хонинговальные бруски также были использованы в качестве
катода. Были получены следующие результаты при электрохонинговании
осталеныхых шатунов: чистота обрабатываемой поверхности на 1-2 класса выше,
съем металла в 10-12 раз больше, а удельный расход алмазов в 10-15 раз меньше,
чем при алмазной обработке тех же шатунов.
В работе [22] приводятся результаты исследования электрохимического
хонингования японскими учеными. При обработке деталей из незакаленных
сталей брусками корунда (раствор 20% NaCl +5% NaNO3) металлосъем составляет
около 15 г/мин, высота шероховатости обработанной поверхности равна Ra=2-3
мкм, а износ инструмента незначительный. При хонинговании деталей из
закаленной стали скорость съема возрастает в 13 раз. Высота шероховатостей
увеличивается до 12-15 мкм и после электроабразивного хонингования требуется
провести алмазное хонингование.
В работе Фрагина И. Е. и Сафронова В. Г. [96] приведены результаты
исследования электроалмазного хонингования образцов из стали 20ХНМ,
цементированной и закаленной до HRC 58. По сравнению с алмазным
хонингованием съем металла увеличился в 2 раза, однако при электроалмазном
хонинговании наблюдается растворение связки брусков. Как отмечают авторы,
при
электроалмазном
хонинговании
нетокопроводящие бруски.
наиболее
целесообразно
применять
33
В
работах
хонингования,
[21,
при
38,
84]
которой
предлагается
вместо
схема
абразивных
электрохимического
брусков-инструментов
используются бруски из электронейтральных материалов (дерево, пластмасса и
др.), а в электролит добавляются абразивные порошки (окиси хрома, алюминия).
Такая схема обработки может применяться и для обработки вязких материалов.
Чистота обрабатываемой поверхности при этом получается весьма высокой.
Например, при обработке притирами из дерева и порошка окиси хрома,
взвешенного в электролите, шероховатость поверхности может достигать Ra=0,04
мкм.
Существует и другая схема электрохонингования, где катодом является
металлическая штанга, закрепленная впереди хонинговальной головки [21]. При
плотности тока 0,2-2 А/см2 и напряжении 6-12 В полученная скорость съема
металла колеблется в пределах 0,04-0,06 мм/мин. Шероховатость обработанной
поверхности достигает Ra=0,8 мкм.
Производительность
электрохимического
хонингования
прямо
пропорциональна анодной плотности тока.
В работе [97] показано, что по сравнению с обычным алмазным
хонингованием при электроалмазном хонинговании съем металла увеличивается
для чугуна в 5 раз; сталей ШХ 15 и ХВГ – в 7 раз и сталей 40Х и 45 – в 1,5-2 раза.
Изменение зазора между электродами в пределах 0,2-1 мкм вызвало колебание
съема металла всего на 12%, причем наибольший съем был при зазоре, равном 0,6
мкм. Поэтому целесообразно применять хонголовки с подвижными электродами.
Значительный
интерес
представляют
работы
по
электроалмазному
хонингованию [19, 45], выполненные в Кишиневском сельскохозяйственном
институте под руководством академика Ю. Н. Петрова. В этих работах
приводятся результаты исследований по выбору механических и электрических
режимов электрохонингования, выбору электролита, кинетике электродных
процессов.
Электрохонингование
традиционным
имеет
хонингованием,
а
ряд
преимуществ
именно:
большую
по
сравнению
с
производительность
34
обработки; уменьшенный расход алмазного инструмента; низкое удельное
давление
брусков
и,
как
следствие,
малые
остаточные
деформации
в
поверхностном слое.
К преимуществам ЭХХ можно отнести и более эффективное исправление
погрешности формы обрабатываемого отверстия. Из схемы электрохимического
хонингования (см. рисунок 1.13 [97]) следует, что анодная пленка удаляется лишь
в зоне меньшего диаметра, в то время как на других участках она препятствует
растворению.
1 – электролит; 2 – деталь (анод); 3 – токонепроводящие бруски; 4 –
корпус хона (катод); 5 – пассивная пленка.
Рисунок 1.13 – Схема исправления исходной погрешности при
электрохимическом хонинговании
Из приведенного краткого литературного обзора видно, что разные
исследователи приводят противоречивые данные.
Например, исследователи [83] считают, что оптимальной окружной
скоростью инструмента при электрохимическом хонинговании является скорость
35
порядка 90 м/мин, а данные работы [82] рекомендуют скорость в пределах 200250 м/мин.
В
работе
[72]
указывается,
что
электрохимическое
хонингование
рационально проводить в два этапа с напряжением 24 В и 12 В, в то время как по
данным других исследователей [42, 52] напряжение не должно превышать 10 В.
1.7.
Цели и задачи исследования
Из вышеперечисленного материала следует, что существующие на данный
момент времени технологии обработки ребристых труб не позволяют получить
оптимальное качество внутренней поверхности трубы и удалить максимально
возможное количество остатков отложений (удаление отложений из впадин,
раковин и т.п.). В связи с этим в диссертационном исследовании представляются
актуальными два направления работы. Первое направление связано с разработкой
технологической схемы, для обеспечения максимально возможного удаления
остатков отложений, оставшихся после механической обработки основного слоя
отложений. Для реализации этого направления предстоит решить комплекс
вопросов, связанных с технологическим обеспечением процесса обработки
поверхности с остатками отложений на месте эксплуатации. Второе направление
связано с получением поверхности заданного значения шероховатости, что будет
способствовать
продлению
срока
эксплуатации
труб
и
минимизации
интенсивности образования отложений во время эксплуатации. Литературный
обзор указывает на то, что существующие технологии обработки ребристых труб
на стационарном оборудовании позволяют получать заданную шероховатость и
снимать расчетный припуск материала для удаления дефектного слоя, но для
выполнения таких работ на месте эксплуатации труб не существует ни
технологии, ни оборудования для осуществления таких операций.
В связи с вышеизложенным формируется цель: повышение эффективности
технологического процесса обработки ребристых труб на месте эксплуатации
обеспечивающего заданное качества поверхности при минимальном удалении
основного материала трубы.
36
Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие
основные задачи:
1. Обосновать возможность применения комбинированного процесса
обработки,
обеспечивающего
эффективную
обработку
внутренней
поверхности трубы на месте эксплуатации.
2. Определить качество получаемой поверхности в зависимости от
принятой технологической схемы и режимов обработки внутренней
поверхности с различной степенью остатков отложений.
3. Экспериментально исследовать зависимости шероховатости получаемой
поверхности от назначенных режимов обработки.
4. Разработать модель для описания технологического процесса обработки
поверхностей
с
диэлектрическим
включениями
и
качества
(шероховатости) получаемой поверхности от варьируемых параметров
обработки.
5. Разработать
рекомендации
по
практическому
применению
разработанной технологической схемы.
6. Провести производственные испытания разработанной технологической
схемы обработки ребристых труб на месте эксплуатации.
37
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
ЭЛЕКРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НЕПОДГОТОВЛЕННОЙ
ПОВЕРХНОСТИ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ
2.1.
Основные закономерности процесса анодно-механической обработки
Анодно-механическая обработка представляет собой комбинацию трех
различных методов съема металла: электрохимического, электроэрозионного и
механического. Изучению каждого из этих методов посвящен ряд работ.
Вопросам электрохимической обработки посвящены работы И. А. Байсупова, Г.
В. Арзяева, Ю. Е. Князева, Д. З. Митяшкина, В. П. Смоленцева. Вопросы,
связанные с электроэрозионной обработкой, подробно освещены в работах Б. Н.
Бирюкова, В. Б. Витлина, А. С. Давыдова, Б. Р. Лазеренко. В вопросах выбора
механического метода обработки поверхности будем ориентироваться на
абразивную обработку.
В справочнике [2] под общей редакцией В. А. Волосатова приводится
описание электрохимической и электроэрозионной обработки металлических
поверхностей. Ориентируясь на это описание и основные закономерности,
встречающиеся при данных видах обработки металлов, попробуем определить
целесообразность применения какого-либо метода или их комбинации для
обработки внутренней поверхности труб на месте эксплуатации.
Рассмотрим процесс электрохимической обработки.
Механизм съема (растворения, удаления металла при электрохимической
обработке) основан на электролизе – процессе, при котором происходит
окисление
и
восстановление
поверхности
электродов
(проводников
электрического тока), соединенных с источником питания током и помещенных в
токопроводящий раствор – электролит. Один из электродов (заготовка)
присоединен к положительному полюсу источника питания и является анодом, а
второй (инструмент) – к отрицательному; последний является катодом.
При электрохимической обработке применяются такие электролиты,
катионы которых не осаждаются при электролизе на поверхности катода. Этим
38
обеспечивается
основное
достоинство
электрохимической
обработки
–
неизменность формы электрода-инструмента.
Согласно объединенному закону электролиза, сформулированному М.
Фарадеем, масса М вещества, растворенного на электроде составляет:
=
э,
(2.1)
где k – электрохимический эквивалент вещества, г/(А*мин); I – сила тока,
проходящего через электролит, А;
э–
время электролиза, мин.
Интенсивность электрохимического растворения металла возрастает с
увеличением силы тока, проходящего через электролит в межэлектродном
промежутке.
Для
стабилизации
электродных
процессов
при
электрохимической
обработке и своевременного удаления из межэлектродного промежутка продуктов
растворения (шлама) применяют принудительную подачу в рабочую зону
электролита, его прокачивают под определенным давлением.
При электрохимической обработке в качестве электролитов применяются
водные растворы солей, кислот и щелочей. В процессе электрохимической
обработки при высоких плотностях тока электролиты обеспечивают прохождение
электрического тока между электродами, способствуют течению требуемых
химических
реакций
на
поверхностях
электродов
и
протекают
через
межэлектродный промежуток, унося из него продукты растворения, поддерживая
тем самым постоянство концентрации взаимодействующих частиц на всех
участках межэлектродного промежутка.
Для получения высоких технологических показателей электрохимической
обработки
необходимо,
чтобы
электролиты
соответствовали
следующим
требованиям:
 полное или частичное исключение побочных реакций, снижающих выход
по току;
 анодное растворение металла заготовки только в зоне обработки,
исключающее растворение необрабатываемых ее поверхностей, и наличие
высоких локализирующих свойств;
39
 обеспечение протекания на всех участках обрабатываемой поверхности
заготовки электрического тока расчетного значения.
Электролитов
универсального
назначения,
соответствующих
всем
перечисленным требованиям, не существует; при их выборе в первую очередь
учитываются требования, являющиеся обязательными для выполнения заданной
операции электрохимической обработки. Так, при необходимости увеличения
скорости анодного растворения металла заготовки применяются электролиты с
большой удельной проводимостью. При повышенных требованиях к точности
обработки
необходимо
использовать
электролиты
с
локализирующими
свойствами. Поставленная задача не предъявляет высоких требований к точности
обработки. Основная задача заключается в снятии дефектного слоя металла, так
что в дальнейшем нас будут интересовать электролиты с большой удельной
проводимостью.
Для обеспечения малой высотной шероховатости поверхности и высокой
точности
размеров
обрабатываемой
поверхности
необходимо
сродство
компонентов металла анода и анионов электролита, а также их сродство с
кислородом. Электролит должен иметь невысокую вязкость, что облегчает его
прокачивание через межэлектродный промежуток и ускоряет тепломассоперенос.
Он должен быть безвредным для обслуживающего персонала, взрыво- и
пожаробезопасным, а также обладать невысокой коррозионной активностью.
Наиболее
распространенными
электролитами
являются
нейтральные
растворы неорганических солей: хлориды, нитраты и сульфаты натрия и калия. В
эти растворы добавляют:
 борную,
лимонную
или
соляную
кислоту
в
целях
уменьшения
защелачивания электролита;
 ингибиторы коррозии, например, нитрит натрия;
 активирующие вещества, снижающие пассирующее действие оксидной
пленки;
 поверхностно-активные вещества, снижающие гидравлические потери и
устраняющие кавитационные явления;
40
 коагуляторы, способствующие скорейшей очистке электролита за счет
ускоренного осаждения шлама.
Концентрация электролита – количественный показатель, характеризующий
содержание его компонентов в воде. Процентный показатель концентрации
отражает отношение массы компонентов ко всей массе раствора; объемный –
количество растворенных компонентов в единице объема электролита.
Электропроводность (Gв) – важнейшая характеристика, отражающая
способность вещества проводить электрический ток; Gв является величиной,
обратной его электрическому сопротивлению R.
Электропроводность электролита определяется выражением:
Gэл =
1
,
R эл
(2.2)
где Rэл – электрическое сопротивление электролита, Ом.
Электропроводность электролита зависит от концентрации растворенных в
нем компонентов и его температуры tэ.
При выполнении электрохимической обработки часть тока, протекающего
через межэлектродный промежуток по электродам, затрачивается на выделение
кислорода на аноде и водорода на катоде, а также на разрушение оксидных
пленок, образующихся на аноде. В связи с этим фактическая масса растворенного
металла Мф при прохождении через межэлектродный промежуток определенного
количества электричества всегда меньше массы М, которую предполагалось снять
на основании закона Фарадея:
=
э,
(2.3)
где k – электрохимический эквивалент вещества, г/(А*мин);
I – сила тока проходящего через электролит, А;
э
– время электролиза, мин.
Эта разница оценивается коэффициентом выхода металла по току
=
C учетом значения
следующий вид:
ф/
,
.
(2.4)
уравнение (2.3) для расчета массы Mф приобретает
41
ф
=
.
э
(2.5)
Электрохимический эквивалент металла k (г/(А*мин)) можно вычислить,
зная его атомную массу А и валентность n, по формуле:
=
(2.6)
,
где C – универсальная постоянная, равная 6,2176х10-4 г/А*мин.
Для практических целей съем металла удобнее оценивать не в массовых, а в
объемных или линейных единицах. В связи с этим для расчетов технологических
параметров электрохимической обработки удобнее пользоваться значением
(см3/А*мин), определяемого по
объемного электрохимического эквивалента
формуле:
=
,
(2.7)
м
где
м-
плотность металла г/см3.
Тогда объем растворенного при электрохимической обработке металла V0
(см3) определяется уравнением:
=
э а.
(2.8)
Значение объемных электрохимических эквивалентов сплавов kv спл зависит
от их состава и определяется по формуле:
спл
= 100
,
(2.9)
где Pi – массовое содержание элемента, %;
ki
–
объемный
электрохимический
эквивалент
данного
элемента,
см3/(А*мин).
Съем металла при электрохимической обработке в линейных единицах
можно определить по формуле:
л
=
=
э
=
л
э
,
где S0 – площадь обрабатываемой поверхности заготовки, см2;
ia – анодная плотность тока, А/см2.
(2.10)
42
Скорость электрохимического растворения в линейных величинах vл
(см/мин) определяется по формуле:
л
=
.
(2.11)
Для оценки динамики скорости электрохимического растворения удобнее
пользоваться зависимостью, содержащей параметры режима электрохимической
обработки. Изменение данных параметров соответственно влияет на изменение
плотности тока ia и, следовательно, на величину vл.
Плотность тока, согласно закону Ома, можно представить в виде
отношения:
=
где
эф эф
(2.12)
,
− значение межэлектродного зазора – расстояние в рассматриваемом
мосте межэлектродного промежутка между поверхностями инструмента и
заготовки, измеренное по нормали к обрабатываемой поверхности, мм;
эф
−
эффективная удельная электропроводность электролита в межэлектродном зазоре
с учетом его нагрева и газонаполнения по мере протекания через межэлектродный
промежуток;
эф
=
э
− Δ − эффективное напряжение на электродах, в вольтах,
равное разности между приложенным к электродам напряжением Uэ и суммой
электродных потенциалов Δ . Причем Δ =
к
+
к,
где
− потенциал анода,
− потенциал катода. С достаточной для практических расчетов точностью
можно принимать
= 2,5 − 4 В, а
к
= −1,5 В.
Процесс электрохимического растворения начинается при значениях Uэ,
превышающих суммарный потенциал поляризации электродов. На практике это
примерно
соответствует
значению
Uэ>3÷5
В.
Большинство
операций
электрохимической обработки осуществляется при Uэ=18÷30 В.
Скорость электрохимического растворения металла заготовки с учетом
параметров установленного режима электрохимической обработки определяется
уравнением:
л
=
эф
(
э
−Δ )
.
(2.14)
43
При
этом
допускается,
что
электропроводность
электролита
в
межэлектродном промежутке по мере съема металла остается неизменной, а его
электрическое сопротивление зависит только от величины этого промежутка. При
этом скорость электрохимического растворения на различных участках обработки
обратно пропорциональна межэлектродному зазору на этих участках.
Такая
зависимость
электрохимической
скорости
обработке
электрохимического
получила
растворения
название
при
саморегулирования
растворения различных по величине припусков заготовок. Таким образом, при
электрохимической обработке заготовок с неравномерными припусками по всей
длине
обрабатываемой
поверхности
автоматически
происходит
более
интенсивное растворение и удаление с заготовки максимального по значению
припуска Zmax и менее интенсивное – минимального Zmin.
Значение
зависит от физико-механических свойств обрабатываемого
металла, состава электролита и режимов обработки.
Для устойчивости процесса электрохимической обработки необходимо при
заданных режимах выполнения операции обеспечить такие значения скорости
течения и давления электролита в межэлектродном промежутке, при которых
образующиеся продукты растворения металла не оказали бы влияния на скорость
электрохимического
растворения
на
всем
протяжении
межэлектродного
промежутка, т.е. при различных значениях межэлектродного зазора. При
соблюдении таких режимов электрохимической обработки, при которых скорость
удаления продуктов электролиза из межэлектродного промежутка превышает
интенсивность их образования, стабильность значения межэлектродного зазора на
разных участках обрабатываемой поверхности, а следовательно, и точность
обработки, в меньшей степени зависят от изменения свойств электролита в
межэлектродном промежутке. В большей степени эти показатели зависят при
этом от стабилизации свойств электролита, поступающего в межэлектродный
промежуток и постоянства величины Uэ.
При установившемся значении плотности тока ia скоростью течения
электролита
в
межэлектродном
промежутке
необходимо
обеспечивать
44
перемещение ионов между электродами, предотвращая чрезмерное нагревание
электролита по мере протекания его через межэлектродный промежуток и
осуществлять
интенсивное
удаление
продуктов
электролиза.
Из
всех
перечисленных факторов наибольшее значение на точность обработки оказывает
степень газосодержания в межэлектродном промежутке [91]. В связи с этим
требуемая скорость течения электролита в межэлектродном промежутке
определяется
из
условия
достижения
критически
допустимой
э
степени
газосодержания электролита на выходе из межэлектродного промежутка.
э
где
–
г
г
≥
(
э
−∆ )
эф МЭП
,
(2.15)
г.кр
объемный
электрохимический
эквивалент
газа;
lМЭП –
протяженность межэлектродного промежутка в направлении течения электролита,
мм.
Для водорода:
=
г
где
н
н
,
(2.16)
н
− электрохимический эквивалент водорода, равный 1,04*10-8
кг/(А*с);
н
− плотность водорода, равная 0,2 кг/м3 при давлении электролита в
межэлектродном промежутке 2*102 кПа и температуре 0 0С.
В других условиях плотность водорода можно определить по формуле:
н
где
п
э
э
п( э
+ 273)
(2.17)
,
−молярная масса газа;
− универсальная газовая постоянная;
−температура
э
=
электролита
в
межэлектродном
0
промежутке,
С;
−давление электролита в межэлектродном промежутке, Па.
Падение
давления
электролита,
протекающего со
скоростью
vэ
в
межэлектродном промежутке протяженностью lМЭП, определяется по формуле:
Δ
э
=−
16
э э МЭП
∗
,
(2.18)
45
∆
где
э
э
=
вх
−
вых .
(2.19)
– число Рейнольдса; pвх и pвых – давление электролита соответственно
на входе и выходе межэлектродного промежутка.
Значение pвх устанавливается в соответствии с расчетной величиной ∆
значением
вых ,
Точность
э
и
определяемым схемой электрохимической обработки.
размеров
и
формы
при
электрохимической
обработке
определяется двумя группами факторов, одна из которых не зависит от процесса
анодного растворения, а другая зависит от него.
К первой группе относятся
погрешности технологической системы; они устраняются или сводятся к
минимуму
общеизвестными
способами.
К
факторам,
характерным
для
электрохимической обработки, относят погрешность ∆ , которая является
следствием колебаний значения межэлектродного зазора из-за нестабильности в
процессе обработки заданных технологических режимов – Uэ, ,
и
и,
а также
из-за нестабильного нагрева и газонаполнения электролита. Два последних
фактора формируются в пределах межэлектродного промежутка, и поэтому
стабилизировать их трудно,
а
подчас
и невозможно.
Препятствовать
газонаполнению можно, применяя безводные электролиты, в которые обычно
входят хлориды аммония и дихлорид железа. Недостатком таких электролитов
является их коррозионная активность [28].
Другим фактором этой группы является погрешность Δ , которая остается в
конце обработки из-за неравномерности припуска заготовки ΔΖн .
Шероховатость после электрохимической обработки при определенных
физико-химических
свойствах
материала
заготовки
зависит
от
состава
электролита, его температуры и pH, скорости подачи через межэлектродный
промежуток и анодной плотности тока.
При выполнении электрохимической обработки, при которой съем металла
происходит одновременно двумя способами, электролизом и механическим
воздействием на заготовку, получаются следующие значения параметров
шероховатости: Ra=2,5÷0,02 мкм, в зависимости от вида механического
воздействия.
46
Приведенные
значения
шероховатости
достижимы,
например,
при
электрохимической обработке нержавеющих сталей с электролитом NaCl
(поваренная соль) и при температуре tэ=20÷25 0С и плотности анодного тока
ia=10÷20 А/см2.
Скорость съема металла заготовки, форма межэлектродного промежутка,
величина межэлектродного зазора, плотность анодного тока и продолжительность
электрохимической обработки определяются по известным закономерностям [67,
,75, 78, 81, 101], учитывающим колебания по различным причинам только
,
и.
и
эф .
внешних контролируемых факторов, таких, как Uэ,
погрешностей расчетов необходимо знать значения
Эффективная
удельная
межэлектродном зазоре
эф
эф
электропроводимость
электролита
в
определяется по формуле [71]:
= [1 + (
− удельная
где
а, Δ
Для исключения
э
− э )](1 −
проводимость
г)
,
(2.20)
электролита,
подводимого
к
межэлектродному промежутку;
tэl – температура электролита по длине межэлектродного промежутка;
tэ
–
температура
электролита,
подводимого
к
межэлектродному
промежутку; Qг – газосодержание электролита; k=1,5.
В связи с определенными допущениями параметры
,Δ ,
эф
всегда имеют
отклонения от своих истинных значений. Поэтому реальные и расчётные
параметры электрохимической обработки отличаются на 10-20%, при отладке
технологического процесса и требуется их корректировка.
Данная технология обработки хорошо подходит для применения на месте
эксплуатации, поскольку не требует применения двигателей с большим крутящим
моментом и высокими оборотами, т повышенной жесткости технологической
системы. Это ключевые моменты при обработке труб на месте эксплуатации. Но
кроме того необходимо учитывать, что на обрабатываемой поверхности
присутствуют фрагменты ржавчины, а также находятся остатки отложений,
которые по своей природе являются диэлектриками. С учетом основных
47
закономерностей
электрохимического
растворения
металлов
в
различных
электролитах при обработке такой поверхности будут возникать следующие
явления: растворение металла будет идти по пути наименьшего сопротивления, а
при электрохимической обработке «мягкими» электролитами образуются окислые
пленки, которые замедляют процесс растворения металла. Для разрушения
данных пленок необходимо повышать напряжение и ток или использовать
механический инструмент. В виду этого рассмотрим методы электрохимической
обработки с применением подвижного инструмента.
В справочнике [2] под общей редакцией В. А. Волосатова дается следующее
описание электрохимической обработки с применением подвижного инструмента.
Электрохимическую
проводить
в
трех
обработку
режимах:
подвижным
непрерывном,
инструментом
циклическом
и
можно
импульсно-
циклическом.
При непрерывном режиме электрохимической обработки в начальный
период процесса соотношение между скоростями рабочей подачи инструмента vи
и линейными скоростями электрохимического растворения vл может быть
следующим: vи>vл, vи<vл, и vи=vл. При vи>vл значение межэлектродного зазора в
процессе обработки уменьшается и, соответственно, vл возрастает до vи=vл; в этом
случае межэлектродный зазор приобретает установившееся значение. При vи<vл
величина межэлектродного зазора в начале электрохимической обработки
возрастает, скорость vл снижается до vи=vл; далее обработка производится при
установившемся значении межэлектродного зазора. При vи=vл межэлектродный
зазор
с
начального
момента
электрохимической
обработки
приобретает
установившееся значение. В циклическом или импульсно-циклическом режимах
электрохимическая обработка ведется вначале на участке Zmax, на котором
межэлектродный зазор имеет установившееся значение, так как именно на этом
участке в этот момент vи=vл. По мере уменьшения ∆ значения межэлектродных
зазоров на всех участках межэлектродного промежутка становятся постоянными.
48
При завершении электрохимической обработки подвижным инструментом
при установившихся значениях межэлектродного зазора исключено влияние ∆
на точность обработки.
При
электрохимической
обработке
подвижным
инструментом
с
профильной рабочей частью значения межэлектродных зазоров на различных
участках межэлектродного промежутка неодинаковы и зависят от угла
между
вектором vи подачи инструмента (рис. 2.1) и нормалью к участку рабочей
поверхности инструмента NM. При
( т ), а на участках, где
= 0 межэлектродный зазор будет торцевым
= 90 - боковым ( б ). На участках, где
межэлектродный зазор обозначен через
< 90 ,
.
Рисунок 2.1 – Расчет параметров ЭХО подвижным электродом инструментом
При электрохимической обработке внутренних поверхностей в заготовках с
предварительно выполненными отверстиями (рис 2.2) значение
определяется
отношением:
=
эф
(
э
−∆ )
и
−∆ )
и
,
(2.21)
и
где
и
=
эф
(
э
.
(2.22)
49
Рисунок 2.2 – Формирование внутренней поверхности ЭИ с конусной рабочей
частью
Продолжительность
электрохимической
обработки
определяется
зависимостью:
э
=
эф
(2
(
+ з)
.
э−∆ ) и
и
(2.23)
При этом:
=
и эф э
,
(2.24)
где Sи – максимальная площадь рабочей части инструмента.
При электрохимическом шлифовании (рис 2.3) скорость Vи c увеличением
диаметра инструмента и уменьшением Z возрастает:
и
=
эф
(
2
э
и
−∆ )
−
и
.
(2.25)
Рисунок 2.3 – Схема электрохимического шлифования
Расчет Vи производится относительно участка обрабатываемой поверхности
с минимальным значением
, учитывая, что величина
при этой схеме
электрохимической обработки, как правило, составляет 0,01-0,02 мм. В этом
случае за счет применения электролитов и режимов обработки, при которых
значение
с увеличением межэлектродного зазора резко уменьшается, а также
за счет ограниченной подачи электролита на рабочую поверхность инструмента и
50
окончания операции съема малых припусков значение
значению
приближается к
.
Продолжительность электрохимического шлифования определяется по
формуле:
э
=
э
+
2 2
и
−
(2.26)
.
и
При электрохимическом шлифовании алмазными или абразивными кругами
значение vи определяется экспериментально.
Конструкция инструмента определяется его типом, материалом для его
изготовления, способом крепления в электродержателе, формой и размерами
рабочих поверхностей, необходимостью применения электроизоляционного
покрытия, а также электрической прочностью.
Все инструменты для электрохимической обработки состоят из активных
(рабочих) и пассивных (нерабочих) элементов и поверхностей. С помощью
первых
осуществляется
электрохимическое
растворение
обрабатываемых
поверхностей заготовки, а вторые используются для связки с элементами
электрохимического станка, подвода электрического тока, подвода или отвода
электролита.
Активные
элементы
инструмента
всегда
являются
токопроводящими, а пассивные могут быть и нетокопроводящими. В последнем
случае ток подводится непосредственно к активным поверхностям инструмента.
Материалы, из которых изготавливается инструмент, должны обладать
хорошей
электропроводностью,
электролитов,
механической
высокой
прочностью
коррозионной
адгезией
к
к
к
воздействию
электроизоляционным
покрытиям,
нагрузкам,
стойкостью
хорошей
обрабатываемостью
и
ремонтоспособностью.
Абразивные
материалы
применяются
для
изготовления
дисковых
инструментов и брусков, а также используются в качестве свободных зерен,
поступающих в рабочую зону вместе с электролитом.
При выполнении операций электрохимической обработки подвижными
инструментами форма межэлектродного промежутка не эквидистантна форме
51
обрабатываемой поверхности заготовки, и на различных участках имеются
межэлектродные зазоры, значения которых зависят от расположения участков
рабочей части инструмента относительно направления подачи инструмента и
изменения свойств электролита по мере протекания его через межэлектродный
промежуток.
Форма
электрохимической
инструментом
и
размеры
обработки
определяются
рабочей
внутренних
как
части
инструмента
поверхностей
алгебраическая
для
подвижным
разность,
а
при
электрохимической обработке внутренних поверхностей – как сумма размеров
обрабатываемых поверхностей и значений межэлектродного зазора.
Анализируя оборудование, необходимое для обработки трубы на месте
эксплуатации, и его масса-габаритные показатели, делаем вывод, что данный тип
обработки подходит по всем предъявленным выше критериям для применения на
месте эксплуатации.
2.2.
Обработка внутренней поверхности трубы на месте эксплуатации с
наложением электрохимического процесса
Необходимо
сделать
выбор
между
различными
абразивными
инструментами: шлифовальным кругом, хонинговальной головкой и свободным
абразивом.
При
обработке
внутренних
поверхностей
абразивными
кругами
с
неподвижной деталью кругу необходимо придавать вращательное движение по
окружности, что по сравнению с хонинговальной головкой увеличивает время
обработки при прочих равных условиях. При шлифовании технологическая
система должна иметь большую жесткость по сравнению с хонингованием. Для
повышения жесткости технологической системы необходимо увеличивать массагабаритные
размеры
установки,
что
делает
ее
менее
удобной
для
транспортировки.
Использованию свободного абразива [37] в качестве механического
воздействия на поверхность детали во время электрохимической обработке
посвящен ряд работ [21, 74, 78]. При прокачке электролита со свободным
52
абразивом через межэлектродный промежуток абразив разрушает окислые
пленки, которые замедляют процесс электрохимической обработки металла. При
обработке
труб
кроме
окислых
пленок
в
межэлектродном
промежутке
присутствуют остатки твердых отложений и ржавчины. Если скорость движения
электролита будет недостаточной, то свободные абразивные зерна не смогут
разрушить эти отложения, и часть поверхности останется необработанной. Для
создания
большой
скорости
потока
электролита
необходимы
мощные
крупногабаритные насосы, что неприемлемо в нашем случае.
Процесс алмазного электрохимического хонингования еще недостаточно
изучен,
требуются
дальнейшие
исследования
оптимальных
параметров
технологической оснастки и условий его осуществления.
При электрохимическом хонинговании зернистость брусков незначительно
влияет на съем металла. Это позволяет вести обработку мелкозернистыми
брусками
и
получать
желаемую
производительность
и
необходимую
шероховатость обработанной поверхности за одну операцию. Стойкость брусков
выше, чем при обычном хонинговании.
Для
осуществления
электрохимического
хонингования
могут
использоваться маломощные двигатели с небольшим крутящим моментом и
небольшим числом оборотов. Источником питания может быть низковольтный
генератор постоянного тока или выпрямители различного типа (сварочные
аппараты). При питании установки переменным током производительность
процесса снижается, поэтому этот способ применяют реже.
Производительность при алмазном электрохимическом хонинговании
увеличивается,
Хонинговальная
как
и
головка
при
с
абразивной
алмазными
электрохимической
брусками
имеет
обработки.
конструкцию,
аналогичную хонинговальной головке с абразивными брусками. Режимы
обработки могут быть приняты те же, что и для абразивных брусков. При этом
износ брусков приблизительно в 3 раза меньше, чем при обычном хонинговании.
Существует несколько способов электрохимического хонингования. Одним
из них является хонингование брусками с электропроводной связкой. Бруски
53
подключаются к отрицательному полюсу источника тока, а деталь соединяется с
положительным полюсом. Электролит в этом случае подается в зазор между
обрабатываемой поверхностью и бруском. Такая схема обработки успешно
применяется при шлифовании. При хонинговании этим методом поверхность
контакта брусков с обрабатываемым отверстием больше, чем при шлифовании.
Это может привести к началу электроэрозионного процесса вследствие малого
межэлектродного промежутка. При обработке неподготовленной поверхности с
остатками диэлектрических отложений с использованием хонинговальных
брусков отложения будут участвовать в формировании межэлектродного
промежутка и препятствовать возможности начала электроэрозионного процесса.
Однако при уменьшении толщины отложений в течение обработки начнется
электроэрозионный процесс. Съем металла будет складываться из трех
составляющих: механической, электрохимической и электроэрозионной.
В зависимости от величины нескольких факторов (давления брусков,
напряжения, концентрации электролита и микропрофиля поверхности) будет
преобладать тот или иной механизм съема. Рассмотрим более детально влияние
различных факторов на процесс съема металла.
Если давление брусков будет слишком велико, то бруски будут
контактировать непосредственно с обрабатываем металлом, и начнется процесс
электроэрозионной обработки. При недостаточном давлении брусков размер
межэлектродного промежутка будет определяться размерами отложений, съем
металла будет идти в основном за счет электрохимического растворения, а на
поверхности металла будет происходить образование окислых пленок, которые
будут замедлять процесс растворения металла. Остатки отложений не будут
разрушаться алмазными зернами вследствие малого давления брусков. При
оптимальном давлении брусков при помощи алмазных зерен будет происходить
снятие остатков отложений, окислых пленок и труднорастворимых включений.
Основной съем металла будет осуществляться за счет электрохимического
растворения, а места, где происходит непосредственный контакт металлических
брусков
с
обрабатываемой
поверхностью,
будут
подвергаться
процессу
54
электроэрозионной обработки. На рисунке 2.4 представлена схема контакта
хонинговального бруска и обрабатываемой поверхности. Представленная на
рисунке 2.4 схема отображает три вида обработки: зона 1 - механическая, зона 2 электрохимическая, зона 3 - электроэрозионная.
Варьируя вышеописанные параметры обработки, можно управлять
процессом,
повышая
или
понижая
интенсивность
одного
из
видов
обработки.
4
3
2
2
1
5
Рисунок 2.4 – Различные зоны обработки
1 – зона механической обработки; 2 – зона электрохимической
обработки; 3 – зона электроэрозионной обработки; 4 –
абразивный брусок; 5 – деталь.
2.3.
Механизм процесса микрорезания при электрохимическом
хонинговании
Рассмотрим
процесс
микрорезания
алмазными
зернами
при
электрохимическом хонинговании поверхности с остатками отложений и
коррозийными язвами. Наличие дефектного слоя и остатков отложений на
внутренней поверхности трубы вызывает необходимость удаления припуска
достаточно большой величины. В работах [8, 67, 75] дается описание процесса
обработки поверхности при электрохимическом шлифовании и хонинговании.
Несмотря на существенные различия в условиях процесса шлифования и
хонингования (прежде всего, различие скорости микрорезания), результаты,
полученные при изучении механизма микрорезания алмазным зерном при
55
шлифовании, являются исходными для изучения сущности и особенностей
процесса микрорезания при хонинговании. Рассмотрим процесс микрорезания и
анодного растворения металла при электрохимическом шлифовании.
периферию
вращающегося
алмазного
круга-катода
через
сопло
На
подают
электролит. Часть его под действием центробежной силы отбрасывается, а часть
увлекается
в
зоны
резания,
т.е.
в
межэлектродный
промежуток
а,
соответствующий в этом случае «вылету» алмазных зерен. Анодное растворение
и алмазное резание обрабатываемого металла происходят только в зоне
непосредственного контакта режущей части инструмента с обрабатываемой
поверхностью заготовки. Съем металла со всей обрабатываемой площади
производится при перемещении заготовки относительно инструмента.
Рисунок 2.5 – Электрохимическое шлифование
При электрохимическом хонинговании в основном пользуются брусками на
нетокопроводящей связке, это связано с большей вероятностью начала
электроэрозионного процесса, чем при шлифовании. В качестве электродаинструмента выступает хон, а за счет брусков формируется межэлектродный
промежуток. По мере изнашивания брусков межэлектродный промежуток
уменьшается и интенсивность растворения металла растет.
При
обработке
труб
предполагается
использовать
токопроводящие
алмазные бруски на металлической связке. В связи с этим процесс съема металла
будет схож с вышеописанным процессом электрохимического шлифования, но
из-за
большей
площади
контакта
алмазных брусков
с
обрабатываемой
поверхностью возможно начало электроэрозионного процесса. Процесс, при
котором одновременно сочетается три вида обработки (электротермическая,
электрохимическая и механическая), получил название анодно-механической
56
обработки. Сущность процесса заключается в том, что при достижении
определенного
минимального
значения
межэлектродного
промежутка
в
локальной области между заготовкой и инструментом в результате высокой
концентрации энергии на относительно небольшом участке обрабатываемой
поверхности повышается температура поверхностного слоя заготовки. При этом
металл заготовки плавится, частично испаряется и в виде расплавленных частиц
переходит в электролит. Разрушение (эрозия) металла продолжается до тех пор,
пока не будет удален весь металл, находящийся на расстоянии, при котором
возможен электрический пробой межэлектродного промежутка под действием
электротермических процессов.
После удаления основного дефектного слоя металла для получения
заданного значения высотной шероховатости подача напряжения отключается и
производится обычная абразивная обработка при помощи хонинговальных
брусков. В этой связи актуальным является дальнейший анализ процесса
микрорезания
поверхности
абразивными
зернами,
обработанной
анодно-
механическим способом. В числе условий, определяющих особенности процесса
хонингования, следует иметь в виду механические свойства обрабатываемой
детали,
характеристики
хонингования,
состав
абразивного
электролита,
(алмазного)
так
как
после
инструмента,
окончания
режим
процесса
электрохимического растворения электролит будет выступать в роли СОЖ.
2.4.
Процесс микрорезания алмазным зерном
Изучению процесса микрорезания алмазными зерном посвящен ряд работ
[54, 55, 56, 57]. Как уже отмечалось ранее, процесс алмазного хонингования и
алмазного шлифования имеют одинаковую природу: царапание поверхности
алмазным
зерном.
Наиболее
ранние
и
весьма
обширные
исследования
рассматривают процесс шлифования. Это работы Маслова Е. Н., Лурье Г. Б.,
Ящерицына П. И., Редько С. Г., Королева А. В., Филимонова Л. Н., Семко М. Ф.,
Якимова А. В. и др.
57
В последующие периоды был изучен процесс микрорезания для условий,
близких к условиям хонингования. Это работы в области хонингования и
суперфиниширования, притирки, микрошлифования Богомолова Н. И., Бабичева
А. П., Димова Ю. В., Кащеева В. Н., Полосаткина Д. Г., Фрагина И. Е. и др.
Рассматривая
хонингование
как
разновидность
процесса
микрорезания
абразивным инструментом, следует отметить, что в процессе хонингования
абразивные зерна бруска производят массовое царапание поверхностного слоя
металла. Например, по данным Рязанова Ф. А., бруски зернистостью 25 имеют в
1см2 рабочей площадь бруска 382 контактных режущих зерна, следовательно, при
шести брусках с размерами 12,5х150 мм число одновременно работающих зерен
составит:
(1,25х15) × (6шт) × 382 = 43000.
Изучение работы отдельного алмазного зерна сводится к изучению
механизма процесса микрорезания – царапания металла. Царапины обычно
рассматриваются
как
процесс,
сопровождающийся
снятием
стружки,
и
царапающий элемент (в нашем случае это алмазный конус) считается абсолютно
острым. В действительности – при царапании алмазным зерном – вершины его не
являются абсолютно острыми.
Алмазные
зерна
представляют
собой
многогранники,
имеющие
округленные вершины (радиус округления r), наличие которых придает им
необходимую
механическую
прочность
при
царапании
и
обеспечивает
возможность развития значительных пластических деформаций при снятии
весьма тонких стружек на малых скоростях микрорезания. На рисунке 2.6 показан
профиль абразивного зерна (электрокорунд зернистость 16).
58
l
r
Рисунок 2.6 – Профиль абразивного зерна
Величина r зависит от размера зерна и колеблется в пределах от десятка
микрометров для крупнозернистых до долей микрометра для мелкозернистых.
Тупые углы алмазного зерен приводят к тому, что процесс царапания при
хонинговании, как и при других видах абразивной обработки, происходит с
отрицательным передним углом.
Наличие округленных вершин повышает механическую прочность зерна,
увеличивает отрицательные значения передних углов при снятии тонких слоев
металла, обеспечивая неравенство Py>Pz, и весьма существенно сказывается на
процессе царапания.
Вследствие малых значений r толщина снимаемого слоя металла составляет
весьма малую величину: от нескольких микрометров до долей микрометра. В
процессе царапания металла алмазным зерном развивается местная деформация.
Пластическая деформация металла имеет место впереди царапающего зерна, по
сторонам от него, а также ниже линии реза.
59
n
b
g
Рисунок 2.7 – Профиль царапания
На рисунке 2.7 показан поперечный профиль царапины. Профиль царапины
имеет по краям навалы, а в середине – след от закругленной части царапающего
элемента. Величина n – полная ширина внешне наблюдаемой зоны деформации;
навалы расположены по краям царапины с шириной – b. Дно царапины имеет
блестящую полоску шириной q, являющуюся результатом весьма интенсивного
пластического деформирования.
Увеличение толщины снимаемого слоя вызывает увеличение объема
металла, захватываемого пластической деформацией по всем направлениям.
Известно, что в процессе царапания имеют место те же явления, что и в
процессе резания металлов. В работах Кузнецова В. Д. и Полосаткина Г. Д.
установлено, что в процессе царапания и абразивного разрушения металлов
(чугуна, латуни, бронзы) в зависимости от нагрузки на царапающий конус имело
место образование нароста на царапающем конусе при царапании латуни и
бронзы. Это существенно влияло на величину весового износа. Известно, что в
процессе резания металлов на поверхности режущего инструмента образуется
нарост, следовательно, образование его при царапании подтверждает аналогию
этих процессов.
60
На образование наростов существенное влияние оказывает температура.
Отмечается падение силы царапания при сверхвысоких скоростях за счет
уменьшения пластической деформации стружки.
В процессе микрорезания – царапания – часть металла отделяется в виде
стружки, другая часть вытесняется в стороны и образует наплывы по бокам
риски. Чем больше металла вытесняется в стороны, тем меньше глубина
царапины может характеризовать износ (съем металла).
В данной работе не преследовалась цель глубокого изучения процесса
царапания металлов, а изучение и объяснение различных зависимостей при
электрохимической обработке строились на основании приведенных выше
положений. Однако некоторые из проведенных опытов подтверждают глубокое
сходство процесса съема металла при хонинговании и электрохимической
обработке с подвижным инструментом.
Электрохимический эквивалент обрабатываемого материала детали, наряду
с другими показателями, является основным параметром, определяющим
обрабатываемость его электрохонингования. В этом нетрудно убедиться,
сравнивая результаты электрохонингования различных материалов, полученные в
работах разных авторов.
2.5.
Моделирование процесса резания единичным алмазным зерном
Процесс хонингования является наиболее сложным и менее изученным по
сравнению с другими процессами резания. Это относится прежде всего к теории
работы алмазного зерна и физической сущности процесса. Различные алмазные
зерна хонинговального бруска не снимают одинаковых стружек [96, 97], их форма
и размеры зависят от окружных скоростей вращения заготовки и хонинговальной
головки.
При постоянной окружной скорости хонинговальной головки форма
снимаемого слоя изменяется от запятообразной до сегментообразной. Форма
снимаемой
стружки
зависит
от
ориентации
хонинговального бруска и расстояния между ними.
зерен
на
поверхности
61
Определить условия работы единичного зерна, в частности, подачу,
приходящуюся на одно единичное зерно, можно исходя из тех же соображений,
что и при расчете подачи на зуб при нарезании резьбы. В качестве примера
возьмем
случай
хонингования
отверстия.
В
течение
одной
минуты
с
обрабатываемой детали срезается слой припуска длиной, равной величине
продольной подачи Vu, м/мин. В течение этого времени хонинговальная головка
сделает n оборотов. Все лежащие на периферийной поверхности хонинговальной
головки алмазные зерна при этом принимают участие в срезании припуска. Все
алмазные зерна, лежащие в одной общей плоскости, проходящей параллельно оси
хонинговальной головки, сделают в течение одной минуты число срезов N, равное
произведению числа лежащих в этой плоскости зерен и числа сделанных в
течение этой минуты оборотов хонинговальной головки. Число этих оборотов
известно – оно равно частоте вращения хонинговальной головки. При условии
расположения алмазных зерен вплотную друг к другу, без свободных
промежутков между ними, число зерен Zа.з., лежащих на одной окружности
периферийной поверхности хонинговальной головки (в одной плоскости), можно
определить, поделив длину поверхности хонинговального бруска на размер зерна.
В действительности алмазные зерна занимают лишь долю объема инструмента.
Оставшаяся часть объема приходится на занятые воздухом поры и связку,
скрепляющую алмазные зерна.
Зерна последовательно друг за другом срезают припуск по одной линии в
направлении продольной подачи. Каждое зерно вслед за предыдущим срезает
стружку, толщина которой соответствует величине подачи на зуб (на зерно) Sz.
Таким образом, исходя из вышесказанных соображений:
=
,
где Sz – подача на зуб (зерно), мм/зуб;
Vu – продольная подача, мм/мин;
(2.27)
62
N – число срезов, сделанных в течение одной минуты абразивными зернами,
лежащими в одной плоскости на периферийной поверхности бруска:
=
г∗
(2.28)
а.з.
(2.29)
∗
∗
,
а.з
100 ∗
– число зерен на окружности периферийной поверхности бруска в
=
где Zа.з.
плоскости, нормальной к оси его вращения;
DГ – наружный диаметр хонинговальной головки, мм.
– поперечный размер зерен, мм.
C – содержание зерен, %.
Исходя из этого:
=
100 ∗
г∗
∗ 100 ∗
.
∗ ∗ г
(2.30)
С целью количественной оценки величины подачи Sz, приходящейся на
одно зерно, проведем расчет для произвольно принятых условий хонингования в
пределах, реально применяемых в практике машиностроения. Предположим, что
хонингование отверстия ведется на хонинговальном станке алмазными брусками
прямого профиля диаметром Dkp=100 мм с зернистостью шлифовального
материала 100, что соответствует размеру алмазного зерна = 0,1 мм. Структура
бруска № 3 с объемным содержанием шлифовального материала С=50%. Примем
скорость продольной подачи Vu=1 м/мин., частоту вращения инструмента nг=200
об./мин. Для этих условий:
=
1000 ∗ ∗ 100 ∗
г∗ ∗ ∗ г
=
1000 ∗ 1 ∗ 100 ∗ 0,1
мм
= 0,0031
.
200 ∗ 3,14 ∗ 100 ∗ 50
зерно
63
2.6.
Математические модели процесса хонингования
В работе [55] приводится несколько различных математических моделей
процесса хонингования, рассмотрим эти модели.
Упрощенное математическое моделирование процесса хонингования с
переменным давлением.
Конечная точность формы обрабатываемого отверстия, качество и
производительность обработки существенно зависят от того, насколько правильно
и рационально построен рабочий цикл хонингования. В частности, вариация
давления хонинговальных брусков в течение рабочего цикла позволяет
целенаправленно изменять показатели конечной точности обработки, качества и
производительности операции хонингования. Поиск оптимальной структуры
рабочего цикла хонингования может выполняться экспериментально или на
основе
построения
и
исследования
математической
модели
процесса
хонингования. Последний путь является наиболее прогрессивным, особенно в
условиях применения современной вычислительной техники.
Оптимизация операций хонингования предусматривает необходимость
достаточно четкого определения таких понятий, как задача оптимизации
операций хонингования, оптимальная структура рабочих циклов хонингования,
ступенчатые и бесступенчатые циклы хонингования и, наконец, моделирование
процесса обработки и его цели.
Задача оптимизации операций хонингования должна рассматриваться с
позиций поиска таких условий ведения процесса обработки, которые либо
обеспечивали бы максимальное значение одного из технологических параметров
(точность, производительность и т.д.) при соблюдении ограничений на
остающиеся учитываемые технологические параметры, либо предусматривали бы
одновременное
достижение
заранее
заданных
значений
комплекса
технологических параметров хонингования.
Под оптимальной структурой рабочих циклов хонингования понимается
закон изменения регулируемой составляющей режима хонингования (например,
давление хонинговальных брусков) во время цикла обработки одной детали. В
64
частности, в качестве критерия оптимальности структуры рабочего цикла может
служить критерий условных работ, представляющий собой:
уст
=
( )
→
.
(2.31)
Необходимость оценки эффективности цикла хонингования с переменным
давлением хонинговальных брусков по тому или иному критерию обусловлена
многовариантностью структур рабочих циклов, обеспечивающих требуемые
условия ведения процесса. Структурная схема модели процесса обработки
хонингованием представлена на рисунке 2.8.
Процесс
обработки
хонингованием
является,
как
известно,
многофакторным, поэтому учесть влияние всех факторов на технологические
показатели обработки достаточно трудно. В связи с этим выбор вида
математического моделирования процесса обработки зависит от конкретных
условий задачи оптимизации структуры рабочего цикла. При этом достоверность
математической модели обработки хонингованием и возможность ускоренного
нахождения
конкретных
значений
параметров
математической
модели
определяют успех использования оптимальных условий введения процесса.
t
Обрабатываемое изделие
Q
p
Ra
Пр
Рисунок 2.8 – Структурная схема модели процесса обработки
хонингованием: Q – количество снимаемого материала;
– показатель
точности обработки; Ra – показатель шероховатости поверхности.
65
Задачу оптимизации цикла хонингования на основе принятой модели
целесообразно разделить на два этапа.
Первый этап заключается в выборе рациональных параметров процесса
хонингования в целом. Выбираются характеристики инструмента, величины
пробега хонинговальных брусков, значения неизменных в течении цикла
обработки Vок, Vвп, p, состав СОЖ в зависимости от конкретных технологических
требований.
Второй этап оптимизации параметров цикла хонингования заключается в
выборе таких значений давления брусков на каждой ступени цикла, которые
обеспечили бы дальнейшее улучшение технологических показателей обработки.
Эффективность такой оптимизации зависит от правильности построения
математической
модели
формирования
технологических
показателей
хонингования в течение рабочего цикла.
Наиболее простой математической моделью процесса хонингования
является модель на основе простых степенных зависимостей.
Функции износа инструмента, а также металлосъем нередко рассматривают
в виде обычных степенных зависимостей [24, 54, 59, 103], имеющих следующий
вид для единицы длины пути, проходимой бруском:
И=
;
(2.32)
=
;
(2.33)
Все остальные составляющие режима резания (за исключением давления p)
в течение цикла остаются постоянными, и поэтому их обозначают постоянными
коэффициентами k1 и k2.
За число N двойных ходов каждое зерно бруска проходит путь длиною l:
=
2
,
sin
где 2L - длина двойного хода бруска;
(2.34)
=
вп
– угол.
ок
Считая, что давление на всем пути l неизменно и равно р0, напишем
выражение для расчета полного износа инструмента за время обработки одной
детали:
66
2
;
sin
2
.
sin
И =
=
(2.35)
(2.36)
А для n-ступенчатого цикла суммарный износ и суммарный металлосъем
будет определяться следующими зависимостями:
И∑=
2
sin
И∑=
2
sin
(2.37)
;
(2.38)
.
Наличие уравнений (2.37) и (2.38) позволило нам поставить две задачи и
дать их математическое описание.
1. Задача повышения размерной стойкости инструмента без снижения
производительности. Эта задача может быть поставлена при больших затратах
инструмента на обработке тех или иных деталей с постоянным давлением р0 за N0
двойных ходов. Математическая модель задачи:
ФИ =
Ф =
2.
Задача
повышения
∑
→
∑
(2.39)
;
(2.40)
= 1.
производительности
процесса
без
снижения
размерной стойкости инструмента. Она, в частности, может возникнуть для
случаев, когда необходимо снимать повышенный припуск. Математическая
модель задачи записывается в следующем виде:ё
ФИ = 1;
Ф →
(2.41)
.
(2.42)
Особый интерес представляет решение задачи поиска параметров закона
непрерывного управления давлением брусков p(N) в зависимости от числа
двойных ходов N. Функции Фи и ФQ, определяющие связь одноступенчатого
67
цикла хонингования и цикла с регулируемым давлением в системе разжима
брусков, записываются в интегральной форме:
ФИ =
Ф =
(2.43)
∫ [ ( )]
;
(2.44)
∫ [ ( )]
.
Поскольку металлосъем и износ инструмента описываются простыми
степенными зависимостями, можно предположить, что и зависимость р(N)
следует представить в виде простой степенной зависимости:
( )=
Таким
образом,
мы
подошли
определения параметров а и
(2.45)
.
к
вариационной
постановке
задачи
закона р(t) изменения давления брусков.
Исследуя модель (3) задачи снижения износа инструмента методом
вариационного исчисления, получаем зависимость p(N) в следующей форме:
( )=
Значение
(
+ 1)
связано с условием ФИ →
(
+ 1) /
+1
→
(2.46)
.
следующим образом:
(2.47)
< 1.
Аналогичное выражение получается для модели (4):
( )=
(
(
+ 1) /
+1
+ 1)
→
(2.48)
;
(2.49)
> 1.
Необходимо при этом отметить, что в случае равенства
=
управлять
процессом нет никакой надобности, поскольку здесь невозможно получить ни
повышения
стойкости
Управление
циклом
инструмента,
хонингования
ни
для
повышения
повышения
производительности.
размерной
стойкости
хонинговальных брусков позволяет снизить шероховатость обрабатываемой
поверхности. Это обусловлено тем, что шероховатость, получаемая после
хонингования, а также расход алмазного инструмента непосредственно связаны с
68
интенсивностью
самозатачивания
брусков.
Снижение
способности
к
самозатачиванию брусков приводит к тому, что зерна обнажаются менее
интенсивно и шероховатость обрабатываемой поверхности уменьшается.
и
При заданных
можно определить значение
, соответствующее
максимуму стойкости инструмента или металлосъему Q.
Выбор
параметров
рабочих
циклов
с
переменным
давлением,
осуществленный на основании простых степенных зависимостей, обладает
простотой и может выполняться без специальных средств вычислительной
техники. В то же время такие циклы дают некоторые расхождения в отношении
ожидаемого повышением размерной стойкости инструмента по сравнению с
реально получаемым или в величины снимаемого припуска, что объясняется
недостаточно полным описанием процесса простыми степенными зависимостями.
Математическая
модель
хонингования
на
основе
логарифмических
функций.
Рассмотрим построение математической модели процесса хонингования на
основе логарифмических функций. Данная математическая модель является более
универсальной в связи с тем, что связывает одновременно показатели съема
металла, износ инструмента, а также функции
показателя
шероховатости
R a,
либо
, принимающей либо значение
значение
показателя
точности
геометрической формы обрабатываемой поверхности. Выбор вида функции
зависит от конкретных условий задачи.
В качестве математического моделирования процесса хонингования может
быть принята следующая система алгебраических уравнений, описывающих
важнейшие показатели процесса:
и
=
+
+
+
+
+
+
+
; (2.50)
=
+
+
+
+
+
+
+
; (2.51)
=
+
+
+
+
+
+
+
где
,ℎ ,
и
= ln
;
= ln
;
= ln
;
= ln ;
;
= ln ;
(2.52)
= ln ;
−коэффициенты при независимых переменных; N - число двойных ходов.
69
На основе рассматриваемой математической модели процесса хонингования
могут решаться следующие задачи оптимизации структуры рабочего цикла:
1.Повышение производительности обработки при жестком требовании к
показателю
точности геометрической формы обрабатываемого отверстия или
шероховатости обрабатываемой поверхности.
2. Улучшение показателя
при жестком требовании к величине снимаемого
припуска.
3. Повышение стойкости хонинговальных брусков при жестком требовании
к производительности обработки.
4. Снижение технологической себестоимости обработки при жестком
требовании к точности геометрической формы обрабатываемого отверстия.
Для решения перечисленных задач разработан метод равновесных
приращений, представляющий собой модификацию метода Гаусса – Зайделя для
поиска экстремальных значений.
Метод
равновесных
приращений
позволяет
находить
параметры
ступенчатых циклов хонингования при использовании вычислительной техники.
На основе уравнений моделей (2.50, 2.51, 2.52) можно записать
математическую модель формирования технологических показателей обработки
на i-й ступени рабочего цикла:
и
где
= ln ;
=
+
+
+
;
(2.53)
=
+
+
+
;
(2.54)
=
+
+
+
,
(2.55)
= ln
и
;
= ln =
.
В общем случае для n-ступенчатого цикла уравнение связи исходного и
конечного значения
запишется следующим образом:
(2.56)
=
−
=
(
1
+
);
;
(2.57)
70
=
(2.58)
;
+
= ln
;
(2.57)
− логарифм исходного значения , а
Здесь
− логарифм требуемого
значения .
Следующее уравнение, описывающее взаимосвязь давления на каждой
ступени двухступенчатого цикла, позволяет получить заданное значение
показателя :
=
−
(
(
+
)(
)( +
+
)
)
.
(2.58)
Аналогично получено уравнение взаимосвязи давлений p1и p2 и заданной
величины металлосъема:
=
+
+(
+
+
+
)(
=
+
+
+
;
= exp
+ exp
+
);
(2.59)
(2.60)
(2.61)
.
Динамическая модель процесса хонингования.
Анализ показателей съема металла, точности геометрической формы и
шероховатости обрабатываемой поверхности в процессе обработки деталей
машин хонингованием показывает, что математическая модель, отражающая
динамику формирования указанных показателей, может быть представлена в
следующем виде:
=
+
+
=
+
=
+
+
;
+
+
;
,
(2.62)
(2.63)
(2.64)
где p – радиальное давление хонинговальных брусков; t – длительность
хонингования;
− показатель точности геометрической формы обрабатываемого
71
отверстия; Ra – показатель шероховатости обрабатываемой поверхности; Q –
; ;
количество снимаемого металла;
− параметры математической модели.
В математической модели предусмотрена возможность ее использования
для оптимизации цикла хонингования с переменным давлением брусков. Все
неучтенные в явном виде факторы учтены параметрами модели.
Для определения закономерностей изменения радиального давления
хонинговальных брусков, обеспечивающих получение заданных значений
технологических показателей обработки за заданное время, предлагается
алгоритм поиска таких закономерностей. Этот алгоритм описан зависимостью:
(2.65)
=
где
[
− текущее
(
−
значение
)
(
)
− ( ; )],
управляемой
координаты;
− заданное
значение управляемой координаты; G(T;t) – оценочная функция; m – число
− управляющее воздействие.
управляемых координат;
Использование
алгоритма
для
поиска
аналитического
описания
зависимости p(t), позволяющей обеспечить достижение заданного значения Q0 за
заданное время T длительности рабочего цикла хонингования, дало следующее
выражение:
( )=
−
1
+
−
−
,
(2.66)
где
=
=
1
(
+
1
(
+
)
=
+(
.
(2.67)
);
+
) ;
(2.68)
(2.69)
Исследования алгоритма показали, что он позволяет не только определить
аналитические зависимости p(t), но и представляет возможность использовать его
в системе непрерывного управления процессом хонингования для достижения
72
заданных значений комплекса технологических показателей хонингования путем
изменения давления брусков в течение цикла обработки.
Выбор метода поиска оптимальных условий ведения процесса обработки
хонингованием зависит от вида математической модели процесса хонингования.
Весьма важным фактором является достоверность математической модели
обработки хонингованием и возможность ускоренного нахождения конкретных
значений параметров математической модели, которые определяют успех
использования оптимальных условий ведения процесса.
Анализ различных возможных видов математических моделей процесса
обработки хонингованием позволил разработать модель, описывающую объект
управления – процесс обработки в достаточно широкой области.
Связь
управляющего
воздействия
и
выходного
показателя
модели
определяется следующим уравнением:
и
()
и
где
и
+
()
и
+
−коэффициент
( )
( )+
i-го
передачи
( )
+
интегрирующего
−коэффициент передачи i-го дифференцирующего звена;
передачи
масштабного
усиления;
x(t)
–
= ( ),
управляющее
(2.70)
звена;
− коэффициент
технологическое
воздействие; y(t) – управляемый технологический показатель.
Рассмотрены модели процесса хонингования и математические методы
определения закономерностей изменения давления хонинговальных брусков,
направленные
на
улучшение
технологических
показателей
процесса
хонингования.
2.7.
Математическая модель съема материала при электрохимической
обработки поверхностей с диэлектрическими включениями
При обработке поверхности при помощи электрохимического способа с
подвижным инструментом в съеме металла участвует две составляющие
компоненты:
механический
и
электрохимический
съем.
Соответственно
73
суммарный съем металла будет определяться суммой съема металла за счет
каждой компоненты:
Q = Q м + Q эх,
(2.71)
где
Qм – объем снятого металла при механической обработке, см3/мин
Qэх – объем снятого металла при электрохимической обработке, см3/мин
Учитывая, что процессы взаимосвязаны между собой в зависимости от
межэлектродного промежутка, напряжения, состава электролита и давления
брусков, введем весовые коэффициенты a и b, перед каждым значением
снимаемого объема металла, которые будут учитывать участие каждой из
составляющих в суммарном съеме металла:
∑
=
∗
м
+
∗
эх .
(2.72)
Учитывая, что:
+
= 1,
величина каждого коэффициента будет определяться конкретными условиями,
при этом в зависимости от стадии обработки коэффициенты будут изменяться.
Примем следующие допущения при моделировании системы:
1)
по мере удаления отложений поверхностная плотность тока падает,
поскольку увеличивается площадь обрабатываемого металла;
2)
в межэлектродном промежутке всегда присутствует электролит;
3)
проводимость электролита равна константе;
4)
в качестве источника тока используется идеальный источник;
5)
отложения не участвуют в засаливании брусков и удаляются вместе с
электролитом.
Для каждого случая обработки по известным формулам можно рассчитать
объем удаляемого металла и шероховатость.
При упрощенном математическом моделировании процесса хонингования
металлосъем определяется по формуле (2.36).
74
При
математическом
моделировании
хонингования
на
основе
логарифмических функций металлосъем будет определяться следующими
уравнениями:
м
=
+
+ exp
.
+(
+
+
+
)(
=
+
+
+
;
= ln ;
где
= exp
= ln ;
= ln ;
,ℎ ,
−
);
+
коэффициенты
при
независимых переменных; N – число двойных ходов.
Учитывая, что при обработке трубы число двойных ходов хона будет равно
1, то все коэффициенты
=
станут равны нулю и выражение упростится:
+
+(
+
)(
=
+
.
);
+
(2.73)
(2.74)
С учетом выражений (2.73, 2.74) получаем следующую зависимость для
металлосъема:
м
= exp(
+
+(
)(
+
) + exp (
+
+
)
(2.75)
В случае применения динамической модели процесса хонингования
металлосъем будет определяться следующим выражением:
=
+
+
+
;
где p – радиальное давление хонинговальных брусков; t – длительности
хонингования;
− показатель точности геометрической формы обрабатываемого
отверстия; Ra – показатель шероховатости обрабатываемой поверхности; Q –
количество снимаемого металла;
; ;
− параметры математической модели.
При электрохимическом растворении металла, согласно справочнику [2] под
общей редакцией В. А. Волосатова, существуют следующие зависимости для
определения величины снимаемого металла:
ф
где
а
=
э а
г/с,
− коэффициенты выхода металла по току;
k – электрохимический эквивалент металла;
75
I – ток;
э
−время электролиза.
Перейдем к формуле объемного съема металла:
эх
где
=
,
м
м
=
э а
см
,
с
− плотность металла, г/см
При выполнении операции электрохимической обработки, при которой
съем металла осуществляется только за счет электролиза, в общем виде высота
шероховатости обрабатываемой поверхности достигает значения Ra=2,5–0,63
мкм, что является вполне приемлемым значением для выполнения поставленной
задачи.
Поскольку за счет механической обработки в основном предполагается
удалять только диэлектрические включения и небольшое количество материала, а
основной металлосъем производить при помощи электрохимической обработки,
то
можно
воспользоваться
упрощенной
формулой
для
определения
механического металлосъема.
Подставив в формулу 2.72 объем снимаемого металла, соответствующий
каждому из методов обработки, получаем:
=
∗
2
sin
+
Изменение данных коэффициентов
∗(
,
э а
).
(2.76)
будет значительно влиять на
металлосъем, осуществляемый тем или иным способом. В связи с этим
рассмотрим их изменение в зависимости от стадии обработки:
Первая
стадия
обработки
характеризуется
максимальной
толщиной
отложений и большим межэлектродным промежутком. В связи с этим во время
первой стадии обработки будет наблюдаться интенсивный съем металла в местах
отсутствия отложений из-за большой плотности тока на этих участках.
Механическая обработка будет проявляться в снятии отложений при помощи
алмазных брусков, а электрохимическая будет растворять металл. Установится
определенное соотношение между коэффициентами a и b, при этом b>a, так как
76
процесс электрорастворения протекает более интенсивно по сравнению с
механической обработкой. В момент времени
в электролит начнут попадать
микрочастицы диэлектрических отложений, удаленных алмазными брусками,
проводимость электролита начнет постепенно падать. Учитывая, что a+b=1,
условная интенсивность механического съема начнет расти. В момент времени
проводимость электролита стабилизируется и на участке от
b=const. В момент времени
a=const,
до
, когда часть отложений будет удалена с помощью
механической обработки, плотность тока начнет постепенно снижаться в
зависимости от площади удаленных отложений. После удаления основного слоя
отложений плотность анодного тока стабилизуется и будет идти постепенный
съем
металла
за
счет
механического
и
электрохимического
способов.
Трудноудаляемые остатки отложений постепенно будут удаляться за счет
механической составляющей съема. При электрохимической обработке в водных
растворах электролита на аноде образуется водород. На границе между
отложением и металлом будет происходить образование водорода, что будет
способствовать разрыхлению и удалению отложений. При небольшой глубине
раковин, в которых находятся отложения не происходит механической обработки,
отложения будут удаляться за счет пузырьков водорода. При продолжении
процесса
обработки
выравниваться,
направлениях.
что
межэлектродный
приведет
Варьируя
к
промежуток
будет
постепенно
равномерному съему металла
параметры
обработки,
можно
во
всех
увеличивать
или
уменьшать одну из составляющих съема и варьировать значения шероховатости
получаемой поверхности. При увеличении анодного тока будет увеличиваться
электрохимическая составляющая съема, шероховатость поверхности будет
формироваться согласно закономерностям, описанным в разделе 2.1. Для
повышения стойкости инструмента по мере обработки рекомендуется увеличить
электрохимическую
составляющую
съема
и
уменьшать
механическую
составляющую. При расчете механической составляющей съема и анодного тока
необходимо учитывать степень загрязнённости поверхности. Так как при
значительном анодном токе и малой механической составляющей вся плотность
77
анодного тока придется на открытые участки металла, это приведет к
значительным углублениям, а места, где присутствуют включения, останутся
необработанными. В связи с этим в начальный момент времени необходимо
ужесточать механические режимы обработки и смягчать электрохимические
режимы. При полном удалении остатков отложений шероховатость поверхности
будет формироваться согласно закономерностям электрохимической обработки с
подвижным инструментом, изложенным в разделе 2.1.
78
Выводы по главе 2
1.
При
механической
электрохимического
процесса
обработке
необходимо
металлов
учитывать
с
наложением
электрохимический
эквивалент обрабатываемого материала, рассчитывать плотность анодного тока,
правильно выбирать тип инструмента для удаления анодной пленки.
2. Выбор параметров режима обработки алмазными брусками должен
производиться с учетом свойств обрабатываемого материала, точности и
шероховатости поверхности до и после обработки, припуска, характеристики
брусков, их размеров и числа брусков, жесткости и конструктивных особенностей
обрабатываемой детали.
3. При обработке поверхностей, содержащих диэлектрические включения,
необходимо учитывать площадь этих включений.
4. После электрохимической обработки на поверхности остается анодная
пленка,
которая
повышает
коррозионную
образования этой пленки в конце
стойкость
поверхности.
Для
обработки рекомендуется уменьшать
механическую составляющую обработки и увеличивать технологический ток.
5.
Для
уменьшения
степени
растравливания
по
границам
зерна
заключающую стадию обработки рекомендуется вести при помощи импульсного
анодного тока.
79
3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1.
Методика экспериментальных исследований
В соответствии с задачами, поставленными выше, при выполнении работы
проводились экспериментальные исследования с целью проверки достоверности
теоретических предпосылок и установления характера влияния различных
факторов на процесс электрохимической обработки подвижным инструментом
поверхности с диэлектрическим слоем.
В программу экспериментальных исследований были включены следующие
вопросы:
1.
Разработка принципиальной схемы экспериментальной установки для
анодно-механического
хонингования
поверхностей
с
диэлектрическими
покрытиями с целью удаления этих покрытий и повышения коррозионной
стойкости.
2.
Определение
границ
варьирования
параметров
процесса
электрохимической обработки поверхностей с диэлектрическим покрытием.
3.
Исследование влияния тока, оборотов, концентрации электролита,
усилия прижима и зернистости брусков на процесс обработки.
4.
Исследование влияния рассматриваемого способа обработки на
геометрию и на физико-механические свойства поверхности.
5.
Проведение сравнительных испытаний на коррозионную стойкость
поверхностей,
обработанных
электрохимическим
способом
и
лезвийным
инструментом.
Внутренняя
поверхность
трубы
подвергается
одновременному
молекулярно-коррозионному износу и термическому воздействию, соотношение
между этими параметрами может меняться в широких диапазонах в зависимости
от того, в каком режиме работает установка. Как показали многочисленные
исследования, коррозионная стойкость и скорость образования отложений на
теплообменной поверхности зависят от физико-механических свойств материала
и микрогеометрии поверхности [13, 41, 64, 93]. Поэтому изучение этих
80
параметров
при
исследовании
электрохимической
обработки
абразивным
инструментом является важной задачей.
В качестве интересующих нас контрольных показателей при оценке метода
электрохимической обработки труб были использованы следующие показатели:
- шероховатость поверхности;
- удельный съем металла;
- степень очистки поверхности.
Исходя из проведенных теоретических исследований и обзора научнотехнической литературы [2, 5, 10, 33, 75] были выделены следующие факторов,
влияющие на процесс электрохимической обработки с подвижным инструментом:
- плотность электролита;
- скорость движения инструмента;
- сила тока;
- удельное давление электрода-инструмента на деталь;
- материал электрода-инструмента.
Экспериментальные исследования процесса электрохимической обработки
с подвижным абразивным инструментом поверхности с диэлектрическими
включениями проводились в два этапа. На первом этапе были проведены
предварительные эксперименты с целью выявления границ варьируемых
параметров. На втором этапе проводили исследование процесса плоской
электрохимической
обработки
абразивным
инструментом
цилиндрических
образцов, изготовленных из сталей, близких по свойствам к сталям, из которых
изготавливаются трубы. Были определены границы варьирования параметров
процесса, влияние отдельных факторов на процесс обработки, влияние
параметров обработки на микрогеометрию и на физико-механические свойства
поверхности.
В качестве источника тока использовали сварочный аппарат (модель
ARC160, рисунок 3.1).
81
Рисунок 3.1 – Сварочный аппарат
ARC160
Из-за наличия в трубе большого количества отложений и значительных
отклонений
формы
поверхности
межэлектродный
промежуток
постоянно
меняется. Если использовать нестабилизированный источник тока, то, вследствие
изменения межэлектродного промежутка, согласно формуле (2.12) будет меняться
плотность тока. При использовании сварочного аппарата значение анодного тока
всегда будет поддерживаться на заданном уровне.
В качестве рабочей жидкости использовался водный раствор хлорида
натрия (поваренная соль) (ГОСТ 13830-84) концентрацией 10, 15, 20, 25 %. Для
смещения уровня рН в сторону щелочной среды в раствор было добавлено
небольшое количество (около 10 г на литр раствора) силиката натрия (жидкое
стекло) (ГОСТ 13078-81). Кроме того, для снижения действия пассивирующих
пленок, в электролит было добавлено около 2-5 г ПАВ на литр раствора.
При исследовании плоской электрохимической обработки электродинструмент был изготовлен из алмазных брусков на медной связке (ГОСТ 2559483) с различной зернистостью 40/28, 125/100, 315/250, 400/315 мкм.
В качестве образцов были взяты отрезки трубы номинальным диаметром
100 мм с сильными следами коррозии на внешней и внутренней стенках трубы
(рисунок 3.2.).
82
Рисунок 3.2 – Образцы для экспериментов
Обработке подвергалась внутренняя стенка трубы. Данные образцы
представляют наихудший вариант труб, который может встретиться в реальных
условиях. Перед обработкой образцы промывались проточной водой и внутренняя
поверхность подвергалась очистке металлической щёткой для удаления части
коррозии, тем самым имитировали процесс предварительной обработки трубы
резцовой головкой.
Были сделаны фотографии
образцов с
разных ракурсов,
измерен
внутренний диаметр и визуально оценена степень загрязнения образцов. Стоит
отметить, что во всех рассматриваемых случаях загрязнение образцов составляло
около 99% внутренней и внешней поверхностей. Бруски были промыты в
проточной воде, высушены промышленным феном, взвешены и измерена
толщина брусков микрометром (точностью 0,01 мм). После обработки бруски и
образцы также были промыты теплой водой, высушены и повторно измерены.
Обработанная поверхность была разделена на геометрические фигуры по
принципу
«есть
отложения
/
нет
отложений»,
затем
были
измерены
геометрические параметры каждой фигуры и расчитана ее площадь. После этого
все площади «чистых» фигур суммировались для получения суммарной площади
обработанной поверхности.
83
Степень очистки поверхности рассчитывалась по формуле:
=
,
(3.1)
ч
где C – степень очистки;
ч
– площадь поверхности, очищенной от отложений, см2;
SO – общая площадь обработки, см2.
Удельный износ электрода-инструмента определялся по формуле:
−
=
,
(3.2)
где m – удельный износ электрода-инструмента, г/мин
Удельный съем металла оценивался количеством металла (в граммах),
снятого за единицу времени:
=
,
(3.3)
где M – удельный съем металла, г/мин;
QM – масса снятого металла за время обработки, г;
TO – время обработки, мин;
q0, q1 – масса электрода-инструмента до и после обработки, г.
Затем
образцы
были
обработаны
электрохимическим
способом
на
различных режимах. Часть образцов подвергалась дополнительной механической
обработке после выключения технологического тока в течение различного
времени для удаления с поверхности анодной пленки.
Шероховатость поверхности была измерена с помощью профилографапрофилометра АБРИС-ПМ7 (Рисунок 3.3) до и после электрохимической
обработки.
84
Рисунок 3.3 – Профилометр АБРИС
Скорость перемещения электрода-инструмента определялась из условия,
что при обработке труб на месте эксплуатации неприемлемо использовать
большие скорости инструмента ввиду специфики обработки и с целью снижения
динамических нагрузок на установку для обработки труб.
Значение технологического тока определяли при помощи токовых клещей
UT207A (рисунок 3.4)
Рисунок 3.4 – Токовые клещи UT207A
Удельное давление электрода-инструмента на деталь при плоском анодномеханическом хонинговании определяли по формуле:
=
,
(3.4)
85
где p – среднее значение усилия прижатия ЭИ к детали, Н;
Fk – площадь контакта, м2.
Для определения усилия сжатия пружин использовали электронный
динамометр (АМЦ 2-20, Россия) (точность ±0,01кг). Для создания различных
удельных
давлений
прижатия
электрода-инструмента
он
прижимался
к
электроду-детали пружинами с различным усилием прижатия.
3.2.
Описание установки для лабораторных исследований
электрохимического хонингования поверхностей с диэлектрическими
включениями или покрытием
В связи со значительной трудоемкостью, длительностью и стоимостью
экспериментальных исследований в производственных условиях большой интерес
представляют лабораторные методы изучения.
В качестве объекта для исследования процесса электрохимической
обработки с абразивным инструментом были взяты трубы из углеродистой стали
ввиду их широкого использования при изготовлении теплообменных аппаратов.
В эксперименте использовались следующая марка стали: Сталь 40.
Физико-механические свойства:
Удельный вес: 7820 кг/м3;
Твердость материала: HB 10-1= 217 МПа;
Обрабатываемость резанием: в горячекатаном состоянии при HB 163-168 и
σв=610 МПа, Кυ тв. спл=1,2 и Кυ б.ст=0,95;
Склонность к отпускной хрупкости: склонна.
Для проведения исследований по технологическому обеспечению заданного
качества поверхности труб методом электрохимической обработки была
разработана
лабораторная
установка,
реализующая
процесс
плоского
хонингования. Принять подобную схему плоской обработки вместо объемной
схемы позволяет допущение, что форму межэлектродного зазора между
внутренней поверхностью и поверхностью контакта абразивного бруска можно
считать плоской. Кроме того, при ЭХО важна скорость относительного
86
перемещения электродов, а не отдельные ее составляющие, что позволяет
исключить возвратно-поступательное движение инструмента, т.е. упростить
привод и сократить затраты мощности электродвигателя. Схема установки
позволяет быстро менять исследуемые образцы, проводить исследования брусков
различной зернистости, а также различных составов рабочих жидкостей.
На рисунке 3.5 приведена схема экспериментальной установки по
электрохимической обработке прерывистых поверхностей с диэлектрическими
твердыми включениями. В состав установки входит следующее оборудование:
1)
привод;
2)
источник тока;
3)
емкость с электролитом;
4)
амперметр;
5)
электрод-инструмент;
6)
электрод-деталь;
7)
электролит.
Рисунок 3.5 – Схема установки.
87
1
2
3
4
1 – сверлильный станок; 2 – электрод-инструмент; 3 – электрод-деталь; 4 –
емкость с электролитом
Рисунок 3.6 – Фотография экспериментального стенда
Образец 6 устанавливали в ванну с электролитом 3. В деталь вводили
хонинговальная головка 5 и при помощи пружин создается заданное усилие, но,
поскольку внутренняя поверхность трубы имеет отклонения формы, усилие
прижима может изменяться в небольших диапазонах. При помощи регулятора на
источнике
тока
выставляли
расчетный
ток.
При
помощи
амперметра
контролировали значение тока и принимали решение о повышении или
понижении тока на катоде.
В
качестве
электрода-инструмента
использовали
экспериментальную
хонинговальная головка (рисунок 3.7) с подпружинными сегментами алмазного
хона
на
диэлектрической
подложке.
Хонинговальные
диэлектрической подложке крепились при помощи клея.
сегменты
к
88
1
2
3
4
1 – приводной вал; 2 – пружина; 3 –
диэлектрическая подложка; 4 – алмазный хон.
Рисунок 3.7 – Сегментная хонинговальная головка
Обрабатываемый образец был погружен в емкость с электролитом, уровень
электролита выбирался таким образом, чтобы полностью скрыть весь образец. В
процессе обработки за счет вращения инструмента все время происходило
обновление электролита в межэлектродном промежутке, но степень обновления
электролита была ограничена замкнутым объемом емкости, что вполне сочетается
с реальными условиями обработки труб. В качестве абразивного инструмента
были выбраны алмазные бруски. Согласно исследованию [57, 97,], алмазный
абразив является наилучшим из материалов для разрушения анодной пленки. Для
создания расчетного значения прижима алмазный брусок прижимается при
помощи набора сменных пружин с различным усилием сжатия.
3.3.
Методика исследования обработанной поверхности и микрорельефа
образцов
После обработки электрохимическим способом образцы промывали в
проточной воде, высушивали при помощи строительного фена. Было произведено
89
фотографирование обработанной поверхности с разных ракурсов. Была измерена
общая площадь обработки, и участки, где остались частицы отложений. Из
обработанных образцов труб на токарном станке были отрезаны кольца длиной
20-23 мм, затем кольца при помощи углошлифовальной машинки были
распилены по диаметру на несколько частей для дальнейшего исследования.
Детальное
бинокулярном
изучение
обработанной
стереоскопическом
поверхности
микроскопе
МБС-10
проводили
при
на
различных
увеличениях (9Х, 16Х, 32Х). Фиксировали оставшиеся дефекты и оценивали
состояние удаления отложений из этих дефектов.
Оценка качества удаления диэлектрического слоя (ржавчины) проводилась
по фотографии. Она определялась как отношение суммарной протяженности
диэлектрического
слоя
к
общей
протяженности
исследуемого
участка.
Сплошность слоя определялась по формуле:
=
дс
100%,
(3.5)
общ
где
– сплошность слоя, %;
LДС – суммарная протяженность диэлектрического слоя, мм;
Lобщ – общая протяженность исследуемого участка, мм.
Поверхности, полученные при электрохимической обработке, представляют
собой
совокупность
площадей,
обработанных
механическим
и
электрохимическим способом, а также дефекты самой поверхности (углубления,
неровности, коррозионые язвы), которые образовались в результате эксплуатации
и не были удалены в результате обработки.
При исследовании микрорельефа поверхности фиксировались следующие
параметры:
 высота неровности профиля Ra, Rz и Rmax;
 глубина оставшихся дефектов hд;
 ширина и длина оставшихся дефектов aд bд;
 опорная длина профиля tp.
90
3.4.
Методика исследования коррозионной стойкости обработанных
образцов
Для
определения
электрохимическим
коррозионной
способом,
стойкости
применялись
образцов,
упрощенные
обработанных
коррозионные
испытания. Образец, обработанный электрохимическим способом, и образец,
обработанный лезвийным инструментом, помещались в коррозионную активную
среду (техническую воду) на определенный срок (12, 24, 36 часов), после этого
образцы извлекались из воды и просушивались при комнатной температуре.
Каждый раз
Качественный
визуально,
после
просушки образцы подвергались фотографированию.
показатель
проводились
коррозионной
наблюдения
за
стойкости
внешним
образцов
видом
оценивался
обработанных
поверхностей, и делался вывод о коррозионной стойкости поверхности образцов,
обработанных
электрохимическим
способом
и
образцов,
обработанных
лезвийным инструментом.
3.5.
Планирование экспериментов
Для изучения влияния каждого отдельного фактора на процесс обработки и
установления оптимальных значений режима обработки был составлен план
экспериментов. При изучении влияния одного или двух факторов на тот или иной
процесс лучше всего применять дисперсионный анализ [17]. Но в случае изучения
большего числа влияющих факторов общее число возможных комбинаций
значений факторов будет огромным, и, следовательно, возрастают затраты
средств и времени.
В подобных случаях применяют методы планирования [16, 50, 86], которые
распределяют факторы на более и менее существенные, что резко сокращает
количество опытов. Разработанный Ш. С. Маневичем квазирандомизационный
метод планирования экспериментов (КРМПЭ) [60] лишен указанных недостатков.
Этот метод является разновидностью метода статистического исследования
Р. Фишера и предусматривает разделение факторов на более или менее
91
существенные. Такое деление производится на основе следующего суждения:
влияние изменения значений изучаемого фактора, если он существенен,
замечается и тогда, когда при одном определенном его значении другие
предположительно существенные факторы будут принимать различные значения,
а не оставаться неизменными. При КРМПЭ каждому фактору дается по 4 уровня и
изучается большой диапазон изменения значений факторов, а вычисления
отличаются своей простотой.
Для воплощения вышесказанного предлагается такая матрица-плана, при
которой каждому значению изучаемого фактора соответствует как можно
большая часть возможных значений других факторов. При этом результаты
жеребьевки все время корректируются.
На начальном этапе составляется матрица-план основной серии. Такая
матрица-план приведена в приложении А, в которой факторы обозначены через
«Х», а цифры указывают на уровень варьирования.
На втором этапе проводится основная серия опытов согласно матрицеплану А.
После
проведения
основной серии
опытов
проводилась обработка
полученных результатов, методика которых описана в следующем параграфе.
Затем переходят к дальнейшему уточнению характера влияния факторов
путем постановки нескольких проверочных и контрольной серий опытов. При
проведении проверочных серий опытов исследуемому фактору придаются
различные значения при неизменном оптимальном значении других.
При проведении контрольной серии опытов исследуется влияние двух
наиболее существенных факторов. Матрица-план контрольной серии составляется
по методу центральных композиционных планов типа 3(k-p) на основе наиболее
оптимальных результатов. Каждый из факторов варьируется на трех уровнях.
В результате проведения серии опытов можно получить функцию отклика:
=
где
факторов;
,
+
+
+
+
+
,
(3.6)
– коэффициенты регрессии, показывающие степень влияния
92
j,i – номера факторов.
3.6.
Методика обработки результатов и точность измерений
После проведения основной серии опытов конечные результаты для
каждого фактора разделяются на 4 группы по числу значений уровней и
вычисляются
средние
значения
контрольных показателей,
определяющих
качество процесса.
По разности между максимальным и минимальным из средних значений
группы каждого фактора определяется их существенность [60]. У более
существенных эта разность наибольшая, и наоборот.
Чтобы учесть ошибку в определении существенности, вызванную тем, что в
некоторых группах другие еще более значимые факторы могут случайно
оказаться в более (менее) «удачном» сочетании, чем в среднем, необходимо
произвести корректировку. Она производится после выделения наиболее
существенного монотонно влияющего фактора путем добавления к среднему
значению групп корректирующей добавки. Величина корректирующей добавки
вычисляется по формуле [60]:
=∆
(
−
)/(
−
),
(3.7)
где dM – абсолютная величина корректирующей добавки к среднему
значению критерия соответствующей группы;
среднее значение уровней, задаваемых существенному фактору;
– реальное среднее значение этого фактора для данной группы опытов;
– максимальное значение существенного фактора;
– минимальное значение существенного фактора;
∆
– разность средних значений групп наиболее существенного фактора.
Если имеется несколько существенных монотонно влияющих факторов, то
последовательно производится несколько корректировок по числу этих факторов.
Значения
и
определяются по формуле:
= ( 1 + 2 + 3 + 4)/4,
(3.8)
93
X1, X2, X3, X4 – числовые значения уровней, задаваемых
где
существенному фактору.
= ( 1д + 2д + 3д + 4д + 5д )/5,
(3.9)
где X1д, X2д….X5д – действительное значение существенности фактора для
данной группы;
5 – количество опытов в данной группе.
После проведения корректирования необходимо вычислить показатели
значимости
отдельных
факторов.
Вычисление
начинают
с
определения
неприведённых значений показателей значимости по формуле:
(∆ )
−
=
,
(3.10)
где Z’ – неприведённые значения показателя значимости;
(∆ )
– наибольшая разность среднего значения результирующего
показателя отдельного данного фактора;
– максимальное значение показателя всей серии опытов;
– минимальное значение показателя все серии опытов.
Далее вычисляется поправочный коэффициент К по следующей формуле:
1
+ +. . .
=
.
(3.11)
Исходя из этих расчетов приведенный показатель значимости:
=
∗
.
(3.12)
По значениям показателя значимости Zi можно судить о степени влияния
изменения отдельных факторов на изучаемый процесс.
Данный микрометраж и другие измерения обрабатывались методами
математической статистики [17]. Чтобы определить закон распределения его
параметров, статистический ряд разделялся на интервалы и был представлен в
виде графика. Параметры закона распределения определялись по следующим
формулам:
=
∑
(
) ×
,
(3.13)
94
где
– среднеквадратичное отклонение;
– среднее значение интервала;
– число вариантов в интервале;
n – общее число вариантов в ряду;
M – среднеарифметическое значение ряда;
k – число интервалов.
Математическое ожидание определяется из выражения:
m=
∑
xn
,
n
(3.14)
где m – математическое ожидание.
Проверка соответствия выбранного закона статическому распределению
проводилась по критерию Пирсона:
=
(
−
∗
)
∗
(3.15)
,
где pi –теоретическая вероятность попадания случайной величины в
интервал;
mt – число значений в интервале.
Точность замеров оценивалась по коэффициенту вариации и по наибольшей
возможной ошибке. Коэффициент вариации определяли по следующей формуле
[17]:
=
,
(3.16)
где V – коэффициент вариации;
– среднеквадратичное отклонение;
M – среднеарифметическое значение ряда.
Наибольшая возможная ошибка определялась из следующего выражения
[17]:
∆ ( )=3 .
(3.17)
Установление брака в измерении, повторность опытов и количество замеров
для получения достоверных данных определяли по методике Г. В. Веденяпина
[17]
в
зависимости
от
ошибки
опыта,
выраженной
в
долях
от
95
среднеквадратичного отклонения и заданной надежности. Браком в измерении
считается наличие отклонения, превышающего по своему значению 3 . Такие
измерения при дальнейших расчетах не учитывались. При заданной надежности
0,95% и наибольшей ошибке опыта, равной 3 , необходима трехкратная
повторяемость опытов.
Погрешность
измерения
линейной
скорости
электрода-инструмента
определялась по формуле:
Δ
л
=±
∆
+
∆
,
(3.18)
л
где
∆
∆
– погрешность измерения длины пройденной бруском 0,5-1%;
– погрешность измерения возвратно-поступательных ходов электрода-
инструмента 1-2%.
Общая погрешности измерений не превышает 3%.
Рабочие значения силы тока, напряжения и усилия прижатия электродаинструмента к детали фиксировались при помощи приборов, погрешность
измерения которых не превышает 2,5%.
Выводы по главе 3
1. При исследовании большого числа факторов, влияющих на выходные
параметры процесса, лучше всего применять многофакторный эксперимент.
2. Разработана методика и установка для лабораторных исследований по
изучению влияния параметров электрохимической обработки поверхностей с
диэлектрическими включениями на оценочные показатели обрабатываемой
поверхности.
3. Приведена методика исследования микроструктуры поверхности для
оценки.
4. Приведена методика исследования поверхности и определения ее
коррозионной стойкости для получения оценочных показателей.
96
5.
При использовании существующих методик и приведенных выше
технических средств измерения получаются достоверные результаты с
высокой точностью.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1. Установление границ варьирования факторов, влияющих на процесс
анодно-механического хонингования
Задачей исследования является определение оптимальных значений
факторов, влияющих на процесс обработки, а также максимальное удаление
различного рода включений с поверхности, получение заданного значения
шероховатости и образование на поверхности детали анодной пленки.
В соответствии с поставленными задачами исследования были проведены
опыты для установления границ варьирования факторов, влияющих на процесс
анодно-механического хонингования.
По данным научно-технической литературы и поисковых экспериментов из
большого числа влияющих на процесс факторов в качестве существенных
выбраны следующие: плотность электролита – Х1; обороты ЭИ – Х2;
технологический ток – Х3; удельное давление в контакте между электродами –
Х4; зернистость брусков – Х5.
Значение факторов предварительно устанавливалось по данным научнотехнической литературы и результатам теоретических исследований.
Результат
экспериментов
оценивался
по
следующим
критериям
–
максимальная Rmax и средняя высота неровностей профиля Rz, скорость износа
электрода-инструмента m и его относительный износ K, степень очистки
поверхности С. В течение каждого опыта фиксировался рабочий ток при помощи
токоизмерительных клещей UT207A.
На «мягких» (при малых значениях токов и низких концентрациях
электролита)
режимах
обработки
удаление
дефектного
слоя
припуска
происходило в основном за счет механической обработки и незначительного
97
электрохимического
растворения.
На
поверхности
оставалось
большое
количество ржавчины, обработка происходила только в тех местах, где
алмазными брусками был разрушен слой ржавчины. В этих местах значение
шероховатость поверхности получались минимальными, а после прекращения
вращения
инструмента
происходит
образование
анодной
пленки.
Производительность обработки при этом очень низкая. Предварительные
эксперименты показали, что значение тока короткого замыкания не следует
устанавливать ниже 2 А/см2, а концентрацию электролита не ниже 10%, так как
при более низких значениях данных параметров процесс обработки сильно
замедляется, интенсивность удаления отложений падает и анодная пленка почти
не образуется. Повышение плотности тока сокращает время удаления дефектного
слоя и увеличивает скорость образования анодной пленки. К увеличению
производительности приводит повышение оборотов инструмента и увеличение
прижатия алмазных брусков. Но при превышении определенного числа оборотов
наблюдается эффект аквапланирования, что резко снижает производительность
электрохимической составляющей обработки, а при увеличении усилия прижатия
наблюдается попадание брусков в различные дефектные углубления, что
приводит к закусыванию инструмента и его разрушению. Предварительные
данные эксперимента показали, что значение оборотов должно быть не более 800
об/мин, а усилия прижатия брусков не более 0,2 МПа. Реальные значения рабочих
оборотов и тока зависят от многих факторов, например, давления брусков,
размеров межэлектродного промежутка, степени загрязнения электролита и т.п.
При
обработке
трубы
скорость
перемещения
инструмента
будет
складываться из скорости поступательного и вращательного движений. При
плоской электрохимической обработке значение имеет суммарная скорость
перемещения электродов, а не ее составляющие. По данным научно-технической
литературы [33, 74], при электрохимической обработке с подвижным абразивным
инструментом, рассмотрим случай электрохимического хонингования, при этом
желательно увеличить скорость перемещения инструмента до 25-30 м/с. Это дает
возможность увеличить производительность обработки за счет ужесточения
98
механического режима. Но при этом между деталью и инструментом возникает
водяной клин, так называемый эффект аквапланирования, что в свою очередь
приводит к необходимости увеличения давления прижима брусков, это негативно
сказывается на шероховатости поверхности.
В связи с этим предавать
инструменту большие скорости вращения нецелесообразно.
Однако
значение
границ
варьирования
этого
фактора
необходимо
принимать с учетом возможностей имеющегося оборудования для выполнения
операций обработки отверстий на месте эксплуатации. В качестве основного
привода при обработке труб на месте эксплуатации используется ручная дрель
(Reber) со встроенным редуктором и двумя скоростями вращения 200 об/мин и
650 об/мин. Объектом исследования была выбрана труба для химической
промышленности с утолщенной стенкой с номинальным внутренним диаметром
100 мм. С учетом отложения и отклонения внутренней формы трубы в некоторых
местах внутренний диаметр уменьшается до 97,5 мм. Принимая во внимание эти
значения, получаем пределы изменения скорости вращения инструмента 20-65
м/мин.
Для проведения лабораторных испытаний, с учетом характеристик
оборудования, которое будет использоваться при обработке отверстий на месте
эксплуатации, был создан экспериментальный стенд, позволяющий проводить
электрохимическую обработку по плоской схеме. Проведение исследований на
таком стенде позволяет быстро менять исследуемые образцы, проводить
исследования с различными значениями оборотов, технологического тока,
концентрацией
электролита
и
зернистостью
брусков.
Для
проведения
экспериментальных исследований был спроектирован и изготовлен сегментный
инструмент, который позволяет проводить исследования с алмазными брусками
различной зернистости. Использование данного стенда позволило сократить
трудоемкость и стоимость экспериментальных работ.
Для проведения экспериментальных работ по принятой схеме плоской
обработки использовался сверлильный станок фирмы Jet модель JDP-15T, с
блоком сменных шкивов, что позволяет быстро изменять настройки и охватывать
99
широкий
диапазон
скоростей
вращения
инструмента.
Предварительные
эксперименты показали, что применение высоких оборотов шпинделя на данном
экспериментальном стенде нежелательно, так как применение больших оборотов
вызывает разбрызгивание и значительное перемещение слоя электролита к
стенкам емкости и приводит к обработке в осушенной зоне. При этом обработка
поверхности проводится в воздушной среде, что приводит к остановке
электрохимической обработки. Для проведения опытов был выбран следующий
диапазон скоростей вращения шпинделя 210; 320; 420; 540 об/мин, что по
среднему диаметру образца (98 мм) составляет соответственно 20,58; 31,36; 41,16;
53,92 м/мин.
Прижатие
хонинговальных
брусков
к
обрабатываемой
поверхности
осуществлялось за счет пружин. Для проведения эксперимента были выбраны
пружины со следующим усилием сжатия 0,5; 1; 1,5; 2 кг. По данным научнотехнической литературы [33, 75, 78] при электрохимическом хонинговании
рекомендуется создавать удельное давление алмазных брусков от 0,05-0,5 МПа.
Проведенные предварительные эксперименты показали, что при давлении от
0,025 до 0,2 МПа обеспечивается стабильный процесс обработки и минимальное
усилие на привод, дальнейший рост давления является нецелесообразным, так как
это требует применения более мощных приводов. Меньшие значения давления
приводят к уменьшению производительности вплоть до полной остановки
процесса, так как инструмент не может удалять остатки отложений и анодную
пленку,
которая
препятствует
электрохимическому растворению металла.
Обработку при таких низких значениях давления алмазными хонинговальными
брусками можно объяснить хорошими режущими способностями алмазных зерен,
которые подобно зубьям фрезы срезают анодную пленку и остатки отложений,
вместо того чтобы раздавливать и продирать их, как это имеет место при
обработке абразивным инструментом или металлическим гладким инструментом.
По окончании установления предела варьирования отдельных факторов
каждому из них задавалось по четыре значения, представленных в таблице 4.1.
100
Таблица 4.1 – Пределы варьирования уровней факторов
Факторы
№
1
2
3
4
5
X
X1
X2
X3
X4
X5
Размерность
Обозначение
%
об/мин
А
МПа
мкм
n
I
р
ЗЭИ
По
данным
Пределы
варьирования
факторов
нижний верхний
10
25
210
540
50
180
0,025
0,1
40/28
400/315
научно-технической
Уровни факторов
1
10
210
50
0,025
40/28
2
15
320
100
0,05
125/110
литературы
3
20
420
150
0,075
315/250
[33,
97],
4
25
540
180
0,1
400/315
при
электрохимическом хонинговании в качестве материала для изготовления
инструмента можно использовать все токопроводящие металлы: стали, цветные
металлы и сплавы (медь, алюминий, латунь, бронза и т.д.), твердые сплавы и т.д.
Большой износостойкостью обладают инструменты на медной связке и ее
сплавах. Кроме того, такие инструменты позволяют получать покрытия из меди,
как при финишной антифрикционной безабразивной обработке, что повышает
износостойкость обработанной поверхности. Инструменты из твердых сплавов
обладают
хорошей
Алюминиевые
износостойкостью,
инструменты
но
малоустойчивы
имеют
к
большую
стоимость.
механическим
нагрузкам,
истиранию и электрохимическому воздействию, что обуславливает их большой
износ. В качестве материала брусков для проведения экспериментов были
выбраны бруски на медной связке.
4.2. Результаты экспериментальных исследований по определению влияния
факторов на процесс анодно-механического хонингования
4.2.1. Общие сведения
Согласно принятой методике проведения экспериментального исследования
была составлена матрица-плана основной серии опытов, которая представлена в
приложении А. Время обработки во всех опытах составляло одну минуту. В
течение каждого опыта фиксировалось рабочее значение тока. Сводная таблица
результатов основной серии опытов приведена в приложении В.
101
Анализ сочетания уровней факторов в каждом опыте и максимальной
разницы значений контролируемых параметров с учетом монотонности влияния
позволяет утверждать, что наиболее значимыми факторами, влияющими на
процесс обработки, являются обороты инструмента и рабочий ток. Для анализа
полученных значений были рассчитаны теоретические и реальные значения
факторов (приложение Б).
4.2.2. Влияние концентрации электролита на оценочные показатели
Зависимости
оценочных
показателей
от
концентрации
электролита
представлены на рисунках 4.1 - 4.5.
8,3
8,25
Rz, мкм
8,2
8,15
8,1
8,05
8
0
5
10
15
20
25
30
Концентрация электролита χ, %
Рисунок 4.1 – Зависимость шероховатости Rz от концентрации электролита
102
4,2
4,19
M, г/мин
4,18
4,17
4,16
4,15
4,14
4,13
4,12
0
5
10
15
20
25
30
Концентрация электролита χ, %
Рисунок 4.2 – Зависимость удельного съема металла от концентрации
электролита
88
87
86
C,%
85
84
83
82
81
80
0
5
10
15
20
25
30
Концентрация электролита χ, %
Рисунок 4.3 – Зависимость степени очистки поверхности от концентрации
электролита
Как видно из рисунка 4.1, значение шероховатости поверхности в
зависимости от концентрации электролита практически не изменяется, все
измеренные значения находятся в пределах точности измерения прибора. На
рисунке 4.2 представлен график удельного съема металла, здесь тоже не
наблюдается изменений съема металла в зависимости от концентрации
электролита,
все
изменения
в
пределах
точности
весов.
Из
графика,
представленного на рисунке 4.3, видно, что степень очистки поверхности тоже
103
меняется незначительно. Изменения величин на всех трех графиках лежат в
пределах точности измерений данных величин. Из анализа графиков можно
сделать вывод, что концентрация электролита не влияет на эти показатели и
является
несущественным
фактором.
Такое
незначительное
влияние
концентрации электролита в данных диапазонах (от 10 до 25%) на процесс
электрохимической обработки можно объяснить следующим: согласно формуле
(2.12), концентрация электролита влияет на плотность тока. Из формы (2.12)
видно, что плотность тока прямо пропорционально зависит от концентрации
электролита
и эффективного напряжения Uэф. При Uэф=const изменение
концентрации электролита повлечет за собой изменение плотности тока. Но, так
как в качестве источника тока используется сварочный аппарат с автоматическим
поддержанием заданного тока, соответственно, при понижении концентрации
электролита
сварочный
аппарат
автоматически
увеличивает
эффективное
напряжение. Это позволяет при изменении концентрации электролита всегда
поддерживать одно и то же значение плотности тока. Такая же картина
наблюдается при съеме металла. Поскольку плотность тока остается постоянной,
то и съем металла, согласно формуле (2.5), остается практически неизменным.
Соответственно, при использовании источника с автоматической стабилизацией
тока такие параметры, как концентрация электролита и межэлектродный
промежуток, становятся несущественными. Поэтому, для экономии средств,
оптимальной концентрацией электролита является минимальная концентрация
10%. В дальнейших экспериментах концентрацию электролита будем принимать
равной 10% и считать за несущественный фактор, но это характерно только при
использовании источников питания с автоматической стабилизацией по току.
104
4.2.3. Влияние частоты вращения на оценочные показатели
Зависимость оценочных показателей от частоты вращения инструмента
представлена на рисунках 4.4 - 4.6
9
8
7
Rz, мкм
6
5
4
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
n, об/мин
Рисунок 4.4 – Зависимость средней шероховатости Rz от частоты вращения
инструмента
6
5
M, г/мин
4
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
n, об/мин
Рисунок 4.5 – Зависимость удельного съема металла от частоты вращения
инструмента
105
93
92
91
C,%
90
89
88
87
86
85
84
0
100
200
300
400
500
600
n, об/мин
Рисунок 4.6 – Зависимость степени очистки поверхности от частоты
вращения инструмента
Из графика, представленного на рисунке 4.4, видно, что при увеличении
числа оборотов значение шероховатости падает. Это можно объяснить тем, что
изначальная шероховатость поверхности является очень высокой и может не
поддаваться
измерению.
При увеличении числа оборотов увеличивается
механическая составляющая съема металла, а следовательно увеличивается и
суммарный съем металла, что приводит к более быстрому удалению различных
дефектов с поверхности и приданию поверхности оптимального класса частоты.
Соответственно, за счет увеличения механической составляющей съема металла
увеличивается суммарный съем металла. Это наглядно демонстрирует график,
представленный на рисунке 4.5. Также за счет увеличения съема металла
увеличивается степень очистки поверхности. Однако стоит отметить, что в
научно-технической литературе встречаются свидетельства того, что при
определенных скоростях резания может происходить интенсивное засаливание
брусков, бороться с которым можно при помощи увеличения или уменьшения
оборотов. При использовании вышеупомянутого диапазона оборотов засаливания
брусков не наблюдалось. Стоит отметить, что алмазным брускам свойственно
самозатачивание. Для обеспечения механизма самозатачивания целесообразно
краткосрочно
ужесточать
механический
режим
обработки.
В
связи
с
106
вышеизложенным можно сделать вывод, что при определенных параметрах
обработки частота вращения инструмента является существенным фактором. При
обработке поверхностей с диэлектрическими включениями засаливание брусков
увеличивается,
и
частота
вращения
в
данном
случае
будет
являться
существенным фактором.
4.2.4. Влияние технологического тока на оценочные показатели
На рисунках 4.7 – 4.9 представлены зависимости оценочных факторов от
технологического тока.
18
16
Rz, мкм
14
12
10
8
6
4
2
0
0
50
100
150
200
I, А
Рисунок 4.7 – Зависимость средней шероховатости Rz от технологического
тока
4,5
4
M, г/мин
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0
50
100
150
200
I, А
Рисунок 4.8 – Зависимость удельного съема металла от технологического
тока
107
100
90
80
70
C, %
60
50
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
I, A
Рисунок 4.9 – Зависимость степени очистки поверхности от
технологического тока
Как видно из приведенных выше графиков, технологический ток является
самым существенным фактором, который влияет на оценочные показатели
(значение шероховатости, съем металла и степень очистки). На рисунке 4.7
представлена
зависимость
шероховатости
от
технологического
тока:
с
увеличением тока шероховатость уменьшается, хотя в ряде работ [2, 74, 75]
установлено, что чем больше технологический ток, тем выше шероховатость
обрабатываемой поверхности. В нашем случае наблюдается обратная картина:
чем выше ток, тем меньше шероховатость. Это связано с тем, что изначальное
значение шероховатости поверхности достаточно велико, и для достижения
расчетного значения необходимо снять достаточно большой припуск (в
некоторых случаях до 2,5 мм), а при малых технологических токах в течение 1
минуты обработки такого съема не происходит. Поэтому с повышением
технологического
тока
значение
шероховатости
поверхности
постепенно
уменьшается, достигая определенного уровня. Если после расчетного времени
обработки начать уменьшать технологический ток, то значение шероховатости
будет уменьшаться. Рассмотрим график, представленный на рисунке 4.8.
Согласно формуле (2.5), количество снятого металла прямо пропорционально
зависит
от
технологического
тока.
Стоит
отметить,
что
механическая
108
составляющая съема оказывает значительное влияние на процесс обработки тем,
что
удаляет
диэлектрические
включения
и
способствует
равномерному
электрохимическому растворению металла по всей поверхности. Т.е. за счет
участия
механической
составляющей
в
процессе
обработки
достигается
достаточно высокая степень очистки поверхности.
4.2.5. Влияние удельного давления инструмента на оценочные показатели
На рисунках 4.9 – 4.11 представлены зависимости оценочных факторов от
Rz, мкм
удельного давления инструмента.
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
p, МПа
Рисунок 4.9 – Зависимость средней шероховатости Rz от удельного
давления инструмента
4,5
4
M, г/мин
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
p, МПа
Рисунок 4.10 – Зависимость удельного съема металла от удельного
давления инструмента
109
100
90
80
70
C, %
60
50
40
30
20
10
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
p, МПа
Рисунок 4.11 – Зависимость степени очистки от удельного давления
инструмента
Анализ кривых показывает, что удельное давление инструмента оказывает
существенное влияние на процесс съема металла, очищения поверхности и
образования микрорельефа. Это можно объяснить следующими соображениями:
при процессе электрохимической обработки обработка начинается там, где
присутствует «открытый» металл, в местах где имеются диэлектрические
включения, обработки нет. Следовательно, если давление инструмента будет
недостаточным для разрушения этих включений, то значение шероховатости
поверхности будет только увеличиваться, поскольку съем металла будет
наблюдаться только на открытых местах. При недостаточном давлении
инструмента разрушение анодной пленки будет происходить медленно, что, в
свою очередь, влияет на металлосъем и степень очистки поверхности. В связи с
этим делаем вывод, что удельное давление инструмента является существенным
фактором, который влияет на процесс обработки. Необходимо отметить, что при
увеличении давления будет происходить более интенсивное самозатачивание
брусков и более интенсивный износ брусков. Быстрый износ брусков может
негативно сказываться на экономической составляющей обработки. В связи с тем,
что внутренняя поверхность трубы имеет значительные отклонения формы, при
увеличении давления может случиться заклинивание бруска и его поломка. С
110
точки зрения увеличения долговечности работы установки, увеличение давления
выше
оптимального
является
нецелесообразным.
Экспериментальные
исследования показали, что при обработке поверхностей имеющих отклонения
формы, оптимальным является давление 0,07–0,1 МПа. Дальнейшее увеличение
давления ведет к заклиниваю инструмента.
4.2.6. Влияние зернистости брусков на оценочные показатели
На рисунках 4.12 – 4.14 представлены зависимости оценочных факторов от
зернистости брусков.
16
14
Rz, мкм
12
10
8
6
4
2
0
0
100
200
300
400
500
ЗЭИ, мкм
Рисунок 4.12 – Зависимость средней шероховатости Rz от размера основной
фракции электрода-инструмента
5
4,5
4
М, г/мин
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
100
200
300
400
500
ЗЭИ, мкм
Рисунок 4.13 – Зависимость удельного съема металла от размера основной
фракции электрода-инструмента
111
100
90
80
70
C, %
60
50
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
ЗЭИ, мкм
Рисунок 4.14 – Зависимость степени очистки поверхности от размеров
основной фракции абразива электрода-инструмента
Анализируя вышеприведенные зависимости оценочных показателей от
размеров основной фракции абразива электрода инструмента, в начале каждого
графика можно заметить характерный участок, который отличается от остального.
Для этого участка кривой характерен малый размер основной фракции абразива.
В связи с небольшим размером фракции абразива процесс механического съема
диэлектрических включений и разрушения анодной пленки замедляется, что, в
свою
очередь,
замедляет
процесс
электрохимической
обработки
и,
соответственно, ухудшает оценочные показатели. Данный недостаток применения
брусков с малой фракцией абразивного зерна можно преодолеть путем
повышения оборотов и удельного давления, тем самым довести механическую
составляющую съема до приемлемого уровня. Как уже отмечалось ранее,
повышение оборотов и увеличение удельного давления выше оптимального
приводит к нежелательным явлениям. При увеличении размеров основной
фракции зерна наблюдается стабилизация оценочных показателей и их
постепенный линейный рост. Это связано с возрастающей составляющей
механического съема, а также с незначительным ростом электрохимического
съема. Рост электрохимического съема объясняется тем, что при увеличении
размера фракции зерна увеличивается удаление диэлектрических отложений и
112
разрушение
анодных
пленок,
что
приводит
к
интенсификации
электрохимического растворения.
4.3. Результаты исследования поверхности и физико-механических свойств
обработанной поверхности
Состояние поверхности перед обработкой представлено на рисунке 4.13.
Отчетливо на всей поверхности видны коррозионные отложения и точечные
углубления, в которых присутствует коррозия. Темное пятно в центре трубы –
зона термического воздействия, образовавшаяся при сварных работах.
Рисунок 4.13 – Фотографии образца №1 перед электрохимической
обработкой
На рисунке 4.14 представлена фотография образца №1 труб, подвергшихся
электрохимической обработке с абразивным инструментом.
113
Рисунок 4.14 – Образец №1, обработанный электрохимическим способом
Электролит NaCl-15%, 280 об/мин, ток–170А, ЗИЭ-125/100, удельное
давление прижима брусков 0,05МПа.
Обработку трубы проводили на глубине около 25 мм от начала заготовки,
чтобы более наглядно можно было сравнивать обработанную и необработанную
части трубы. На фотографии, представленной на рисунке 4.14, отчетливо виден
серый слой в месте обработки и остатки глубокой точечной коррозии, отмеченной
красными овалами. Для удаления остатков коррозии необходимо увеличить
глубину обработки, что приведет к уменьшению толщины стенки трубы и
повлияет на прочностные характеристики. Серый слой – это анодная пленка,
образовавшаяся в результате обработки. При промывке образца в проточной воде
с абразивным моющим средством «Пемолюкс» целостность пленки не была
нарушена, что свидетельствует о достаточно высокой механической стойкости
пленки. На зоне ниже зоны обработки, на слое отчетливо видны зоны
растравливания коррозии, в этом месте обработка детали шла без механического
участия, и съем металла начался в тех местах, где толщина коррозионного слоя
была минимальна.
114
Рисунок 4.15 – Фотография образца №2 перед электрохимической
обработкой
Рисунок 4.16 – Образец №1, обработанный электрохимическим способом
Электролит NaCl-15%, 420 об/мин, ток–170А, ЗИЭ-315/250, удельное
давление прижима брусков 0,05МПа.
115
На рисунке 4.15 представлена фотография образца №2 перед обработкой.
Поверхность полностью покрыта коррозией и видны точеные углубления,
глубина некоторых из них достигает значения 1 мм.
На
рисунке
4.16
представлена
фотография
образца
№2
после
электрохимической обработки. На большей части поверхности можно наблюдать
«серый» слой, образовавшийся в результате электрохимической обработки. В
месте, отмеченном красным квадратом, отчетливо видно место механической
обработки. Это свидетельствует об увеличении механической составляющей
съема материала за счет повышения оборотов и зернистости электрода
инструмента. Следовательно, можно говорить о том, что нарушена целостность
анодной пленки. При обработке деталей электрохимическими способами в конце
обработки обычно выключают технологический ток и производят снятие
небольшого припуска для удаления анодной пленки. В нашем же случае анодная
пленка играет роль защитного покрытия. Учитывая, что при превышении таких
показателей, как обороты, зернистость брусков и удельное давление нарушается
целостность анодной пленки, было принято решение о понижении факторов с
целью недопущения этого.
116
4.4. Результаты исследования качества обработанной поверхности и
удаления диэлектрических включений
Рисунок 4.17 – Сегменты обработанного и необработанного участков трубы
Рисунок 4.18 – Фото поверхности до обработки (увеличение Х24)
117
Рисунок 4.19 – Фото поверхности до обработки (увеличение Х24)
Рисунок 4.20 – Фото поверхности после обработки (увеличение Х24)
118
Рисунок 4.21 – Фото поверхности после обработки (увеличение Х24)
Рисунок 4.22 – Фото поверхности после обработки (увеличение Х24)
На рисунке 4.17 представлены фотографии сегментов трубы до и после
обработки. До обработки внутренняя поверхность полностью была покрыта
коррозионным слоем. После обработки только на небольшой части поверхности
119
остались незначительные следы коррозии. Это связано с тем, что внутренняя
поверхность трубы имеет значительные отклонения формы, и в данном месте
(остатки коррозии) происходила только электрохимическая обработка. Можно
заметить небольшие участки остатков коррозии, это связано с местными
дефектами формы (углублениями, местными кратерами и т.п.).
При анализе состояния поверхности при помощи микроскопа (рисунок
4.20), установлено, что при небольшом локальном дефекте (кратере, углублении и
т.п.) происходит полное удаление коррозии. Это можно объяснить тем, что при
использовании электролитов на водной основе на аноде выделяется водород,
который при небольшой толщине коррозии изнутри разрушает ее. При
значительной толщине коррозии разрушения не происходит (рисунок 4.21), так
как основной водород будет выделяться на открытых участках образца. Также на
обработанных образцах видны небольшие следы царапин (рисунок 4.22), при
изучении которых с помощью микроскопа было установлено, что эти царапины
нанесены алмазными брусками. Чем больше зернистость бруска, тем отчетливее
видны царапины и отсутствие анодной пленки.
Анализ большого количества обработанных образцов показал, что при
оптимальных режимах обработки удается удалить до 90% загрязненной
поверхности. Стоит отметить, что в качестве образцов рассматривался наихудший
вариант труб со сплошной коррозией, большими коррозионными углублениями,
для устранения которых требовалось удалять значительный припуск. Одним из
оценочных
факторов,
значительно
влияющим
на
скорость
образования
отложений, является величина шероховатости поверхности. На большей части
обрабатываемой площади (около 80%) этот показатель не превысил расчетного
значения. Расчетным значением шероховатости является Ra=2,5 мкм, в
большинстве случаев Ra=1,6 мкм, что в 1,5 раза лучше требуемого показателя.
Поскольку значение шероховатости поверхности является ключевым фактором,
влияющим на эксплуатацию труб, и имеется определенный запас по величине
шероховатости, то можно говорить об ужесточении режима электрохимической
обработки с целью повышения производительности. Стоит обратить внимание на
120
остатки отложений, которые при дальнейшей эксплуатации станут центрами
образования новых отложений. Технологические требования, предъявляемые к
минимальной толщине стенки трубы, не позволяют полностью удалить все
отложения.
4.5. Исследование коррозионной стойкости обработанных образцов
Для проведения упрощенных коррозионных испытаний были отобраны три
образца: первый обработан преимущественно электрохимическим способом,
второй обработан электрохимическим способом со следами механической
обработки, третий обработан механическим способом на токарном станке (снятый
припуск 3 мм).
Рисунок 4.23 – Образцы перед началом испытаний
121
Рисунок 4.24 – Образец №1 после коррозионных испытаний
Рисунок 4.25 – Образец №2 после коррозионных испытаний
122
Рисунок 4.26 – Образец №3 после коррозионных испытаний
Анализируя
состояние
поверхности
образца
№1,
можно
заметить
образование коррозионной пленки только в местах старой коррозии (красные
овалы). Это свидетельствует о том, что остатки коррозии являются центрами
зарождения новых коррозионных процессов. В местах, где наблюдается анодная
пленка, образования коррозионной пленки не произошло. Образец №2 (рисунок
4.25) подвергался выглаживанию после отключения технологического тока. По
всей поверхности образца отмечены многочисленные микрорезы, оставленные
алмазными брусками. Поскольку за счет механической обработки после
выключения технологического тока произошло удаление анодной пленки, то
поверхность была представлена чистым металлом, который в довольно короткие
сроки вступил в реакцию окисления с водой, и на поверхности образца
образовалась коррозионная пленка. Но поскольку в некоторых местах образца
осталась
анодная
пленка,
ржавление
поверхности
произошло
частично.
Поверхность образца №3, обработанная механическим способом при помощи
резца для расточки внутренних диаметров, подверглась покрытию ржавчиной
полностью. Небольшой участок без явных следов ржавчины образовался
123
вследствие быстрого высыхания воды. Это связанно с условиями, в которых
проводились испытания. Анализируя поверхность образца №3, также можно
заметить, что вокруг остаточной коррозии образовавшаяся ржавчина носит более
интенсивны характер. Это еще раз подтверждает теорию о том, что остаточные
отложения
(коррозия)
являются
центрами
начала
новых
процессов
корродирования и образования отложений.
Выводы по главе 4
1. Исследования показали, что наиболее существенными факторами при
электрохимической обработке алмазными брусками являются сила тока, давление
и зернистость брусков. Эти три составляющие имеют высокую корреляционную
зависимость, так как при уменьшении хотя бы одной из составляющих
значительно падает интенсивность процесса обработки.
2. Исследование качества обработанной поверхности показало, что
удаление отложений (коррозии) из углублений происходит очень медленно, и для
полной обработки поверхности требуется снимать значительный припуск
металла. При небольшой глубине дефектов удаление отложений происходит за
счет
пузырьков
водорода,
которые
выделяются
на
аноде.
Дальнейшим
направлением такого способа обработки поверхности является возможность
применения токов высокой частоты, что будет способствовать скачкообразному
выделению водорода.
3. В результате проведенных исследований получены практические
рекомендации для применения данной технологии на промышленных объектах.
Разработана
оригинальная
конструкция
хонинговальной
головки,
которая
позволяет производить эффективную обработку отверстий со значительными
отклонениями по форме.
4. Коррозионные испытания обработанных образцов показали, что
поверхность деталей, обработанных с наложением электрохимического процесса,
выше, чем у поверхностей, полученных механическим способом обработки.
124
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
В
результате
выполненных
теоретических
и
экспериментальных
исследований сделаны выводы:
1. Проведен анализ реализуемых на практике технологических процессов
обработки
ребристых
труб
на
месте
эксплуатации.
Установлено,
что
используемые технологические процессы не обеспечивают заданного значения
шероховатости и полного удаления остатков отложений.
2. При анализе литературных источников не было найдено технологии,
позволяющей проводить обработку внутренней поверхности труб на месте
эксплуатации с получением поверхности с заданным значением шероховатости.
Были рассмотрены различные методы комбинированной обработки металлов и
подобран метод электрохимической обработки с подвижным инструментом для
его применения на месте эксплуатации.
3.
Теоретически
обоснована
и
экспериментально
подтверждена
возможность повышения качества обрабатываемой поверхности труб на месте
эксплуатации на основе применения комбинированного метода обработки –
механического и электрохимического воздействия.
4. Разработан аналитический аппарат для описания процесса механической
обработки с наложением электрохимической составляющей при обработке
ребристых труб на месте эксплуатации, учитывающий технологическую
наследственность изделия.
5. Разработан технологический процесс обработки ребристых труб на месте
эксплуатации,
максимальное
обеспечивающий
удаление
остатков
заданное
отложений
значение
с
шероховатости
учетом
и
технологической
наследственности обрабатываемой поверхности.
6. Исследована микроструктура обрабатываемой поверхности. Установлено,
что при механической обработке с наложением электрохимического процесса
повышается качество очистки поверхности и снижается значение шероховатости.
125
В основном это обеспечивается за счет электрохимической составляющей
обработки.
7. Исследование поверхности деталей, обработанных с наложением
электрохимического процесса, показало, что при малой глубине дефектов
происходит удаление диэлектрических включений. Это связанно с выделением
водорода на аноде. При упрощенных коррозионных испытаниях было показано,
что анодная пленка, образовавшаяся на детали в результате обработки, повышает
коррозионную стойкость поверхности.
8.
Разработана
технологических
и
экспериментально
параметров
обработки
проверена
труб
с
методика
остатками
расчета
отложений,
учитывающая технологическую наследственность детали.
9. На основании анализа и обобщенных результатов исследований даны
рекомендации по разработке и практическому применению технологии при
обработке труб на месте эксплуатации диаметром от 50 до 300 мм. Разработаны
практически рекомендации по выбору рациональных режимов обработки,
характеристик режущего инструмента и электрохимического процесса для
обеспечения заданного качества поверхности и максимального удаления остатков
отложений.
10. Разработаны и внедрены в производственный процесс Ангарского
нефтехимического
комбината
рекомендации
по
совершенствованию
технологического процесса и оборудования для обработки ребристых труб на
месте эксплуатации с учетом технологической наследственности изделия.
126
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Данную
технологию
можно
применять
для
обработки
внутренней
поверхности отверстий теплообменного оборудования на месте эксплуатации.
Наложение на процесс обработки электрохимической составляющей процесса
съема металла позволяет получать высокую чистоту поверхности Ra~1,8 мкм и
удалять максимальное количество отложений. При этом после обработки на
поверхности образуется анодная пленка, которая повышает коррозионную
стойкость деталей.
Технология применима при обработке внутренней поверхности следующего
технологического оборудования:
1)
ребристые трубы;
2)
теплообменные аппараты;
3)
котловое оборудование;
4)
толстостенные трубы.
В зависимости от исполнения электрода-инструмента возможна обработка
отверстий диаметром от 50 до 300 мм. В качестве основного электролита лучше
всего использовать нейтральные растворы солей, таких как NaCl, KNO3 и т.п. Для
интенсификации процесса обработки в основной раствор электролита добавляется
щелочь в количестве 1 – 2% от массы раствора (Na2SiO3) для смещения уровня рН
в щелочную сторону и ПАВ в количестве 0,5 – 1% для интенсификации процесса
разрушения анодной пленки. Примерный состав электролитов приведен в таблице
4.1. При большой толщине диэлектрических включений в качестве электролита
можно использовать электролиты на основе различных кислот. Применение
кислот позволяет добиться более высокой производительности обработки, но
также сопряжено с технологическими сложностями их применения и требует
повышения уровня техники безопасности и применения оборудования и
инструмента из более дорогих материалов. В таблице 4.2 приведен пример
приготовления электролита на основе азотной кислоты.
127
Таблица 4.2 – Электролиты
№
Основной
компонент, г/лит
Дополнительные
компоненты, г/лит
Примечание
Перед использованием электролит
необходимо хорошо перемещать
до полного растворения твердой
фазы солей
1
NaCl~150
Na2SiO3~5; ПАВ~3
2
KNO3~165
ПАВ~3
3
HNO3(конц)~180
Для
получения
Техническая вода
качественной
Для дезактивации поверхности
после обработки рекомендуется
промыть поверхности слабым
щелочным раствором.
поверхности
в
качестве
электрода-
инструмента рекомендуется использовать алмазные бруски на медной связке. При
определении зернистости используемых брусков необходимо учитывать исходное
состояние поверхности: чем выше исходная шероховатость и количество
отложений, тем выше должна быть зернистость брусков. В качестве источника
тока
лучше
всего
использовать
сварочный
аппарат
с
автоматической
стабилизацией тока. В таблице 4.3 приведены оптимальные значения параметров
обработки отверстий диаметром 100 мм.
Таблица 4.3 – Параметры обработки
№
1
Параметр
Значение
Скорость вращения 0,35-1 м/с
электродаинструмента
2
Удельное давление 0,08-0,012
электродаМПа
инструмента
3
Технологический
ток
7-10 А/см2
4
Зернистость
абразивного
материала
100-350 мкм
Примечания
В зависимости от состояния исходной
поверхности назначаются рабочие обороты
инструмента: чем меньше различного рода
отклонений имеет поверхность, тем выше
могут быть обороты инструмента
При значительных отклонениях формы
отверстия и локальных углублениях удельное
давление должно уменьшаться с целью
минимизации
возможности
закусывания
инструмента
В
начальный
момент
обработки
технологический
ток
должен
быть
максимальным, затем его можно снизить
При необходимости удаления значительного
припуска материала зернистость абразива
должна быть максимальной
В качестве основного привода предлагается использовать ручные дрели с
возможностью регулировки оборотов. Обработку лучше всего производить на
128
низких оборотах в целях снижения динамических нагрузок на инструмент. Между
приводом
и
приводным
валом
инструмента
необходимо
установить
диэлектрическую муфту. При обработке глубоких отверстий предлагается
использовать набор наращиваемых штанг, средняя длина штанги около 1 метра.
Для интенсификации процесса при обработке электроду-инструменту можно
придавать небольшое осциллирующее движение. После каждого цикла обработки
рекомендуется производить визуальный контроль состояния поверхности. При
обработке длинных труб для обеспечения визуального контроля необходимо
использовать теледиагностическое оборудование [47].
129
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
Алексеев М.К. Анодно-механическая обработка металлов/ М.К.
Алексее, И.Я. Богорад, Н.Р. Четыркин. – Л: Машгиз, 1958. – 89 с.
2.
Амитан Г.Л. Справочник по электрохимическим и электрофизическим
методам обработки/ Г.Л. Амитан, И.А. Байсупов, Ю.М. Барон и др.; Под общей
ред. В.А. Волосатова. – Л.: «Машиностроение», 1988. – 719 с.
3.
Анатенко М.В. Электрохимическое хонингование/ М.В. Анатенко,
В.И. Долматов//Техника в сельском хозяйстве. – 1977. –№12. – С. 69-70.
4.
Ардашев Д.В. Режимы резания на работы, выполняемы на
шлифовальных и доводочных станках с ручным управлением и полуавтоматах.
Справочник/ Д.В. Ардашев, Д.Е. Анельчик, Г.И. Буторин и др. – Челябинск:
Издаетльство АТОКСО, 2007. 384 с.
5.
Артамонов Б.А. Электрофизические и электрохимические методы
обработки материалов. Т.1 и 2/Б.А. Артамонов, Ю.С. Волков, В.И. Дрожалова и
др. – М.: Высшая школа, 1983. 247 и 208 с.
6.
Аскиназ Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин
электрохимической обработкой/ Б.М. Аскинази. – 3-е издание переработанное и
дополненное. – М.: Машиностроение, 1989. – 200 с.
7.
Бажан П.И. Справочник по теплообменным аппаратам/ П.И Бажан,
Г.Е. Каневец. В.М. Селиверстов. – М.: «Машиностроение», 1989. – 365 с.
8.
Байсупов И.А. Электрохимическая обработка металлов/ И.А.Байсупов
– М: Высшая школа 1981. -152 с.
9.
Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация
теплоиспользующих установок/ А.М. Бакластов. – М.: «Энергия», 1970. 568 с. с
илл.
10.
Бирюков Б.Н. Электрофизические и электрохимические методы
размерной обработки/ Б.Н. Бирюков. – М.: «Машиностроение», 1981, 128 с.
11.
Богорад И.Я. Анодно-механическая заточка резцов и фрез с
пластинками из твердых сплавов/ И.Я. Богорад. –М.-Л.: Машгиз, 1949. – 101 с.
130
12.
Богородицкий Н.Н. Технологическое оснащение хонингования/ Н.Н.
Богородицкий, К.К. Чубаров, Б.А. Лебедев. – Л.: «Машиностроение», 1984. – 237
с.
13.
Богорош А.Т. Вопросы накипеобразования/ А.Т. Богорош. –К.: Выща
шк., 1990. – 179с. – ISBN 5-11-000198-7.
14.
Бондарева А. А. Очистка теплообменников от накипи и отложений/
А.А. Бондарева // Морской флот 1983.-№ 6-. С. 48 - 49.
15.
Браславский В.М. Электрохимические способы обработки металлов/
В.М. Браславский, Б.П. Захаров. – М. – Свердловск: Машгиз, 1957. – 452 с.
16.
Бродский В.З. Введение и факторное планирование эксперимента/
Бродский В.З. – М.: Наука, 1976. – 224 с.
17.
Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментальных исследований и
обработки опытных данных/ Г.В. Веденяпин. – М.: Колос, 1973. – 56 с.
18.
Веричев В.В. Электрохимикоалмазное хонингование
восстанавливаемых деталей/ В.В. Веричев – М.: ГОСНИТИ, 1969. – 87 с.
19.
Верховецкий И.Н. Исследование процесса электрохимического
хонингования и разработка технологии ремонта гильз цилиндров автотракторных
двигателей: автореф. дис. канд. тех. наук. / И.Н. Верхвовецкий. – Кищинев, 1970.
– 21 с.
20.
Витлин В.Б. Электрофизикохимические методы обработки в
металлургии/ В.Б Витлин, А.С. Давыдов. – М.: Металлургия, 1988. – 127 с.
21.
Вишницкий А.Л. Электрохимическая и электромеханическая
обработка металлов/ А.Л. Вишницкий, И.З. Яногородский, И.П. Григорчук. – Л.:
«Машиностроение», 1971. – 212 с.
22.
Волков Ю.Е. Исследование в области размерной электрохимической
обработки, проводимые компанией «Мицубиси» (Япония)/ Ю.Е. Волков//
Электрофизические и электрохимические методы обработки. – М., 1979. – №1. –
С.128-132.
23.
Воловик Е.Л. Справочник по восстановлению деталей/ Е.Л. Воловик.
– М.: Колос, 1981. – 315 с.
131
24.
Вопросы расчета и конструирования оснастки, обеспечивающей
повышение точности про хонинговании. – Науч. тр./ Уфимский авиационный
институт, вып. 44. 1973. – 159 с.
25.
Воронин Г.И. Конструирование машин и агрегатов систем
кондиционирования/ Г.И Воронин. – М.: «Машиностроение», 1978. – 544 с.
26.
Глебов В.П. Влияние внутренних железоокисных отложений на
температурный режим работы труб радиационных поверхностей нагрева
парогенераторов сверхкритического давления/ В.П. Глебов, Н.Б. Эскин, В.М.
Зусман // Теплоэнергетика. 1975. №11. С. 51-55.
27.
Глебова В.П. Кинетика образования внутренних железоокисных
отложений в трубах высокотеплонапряженных поверхностей нагрева котлов /
В.П. Глебов, П.А. Антикайн, В.М. Зусман и др. // Электрические станции. 1975.
№8. С. 1923.
28.
Головачев В.А. Электрохимическая размерная обработка деталей
сложной формы/ В.А. Головачев, Б.И. Петров, В.Г. Филимошин, В.А. Шманев. –
М.: Машиностроение, 1969. 199 с.
29.
Гричихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование: Теория
и практика. Влияние на свойства металлов. – Л.: Машиностроение, 1987. – 222 с.
30.
Гродзинский Э.Я. Абразивно-электрохимическая обработка/ Э.Я.
Гродзинский – М.: Машиностроение, 1983. 100 с.
31.
Гусев В.Н. Анодно-механическая обработка металлов/ В.Н. Гусев. –
М.-Л.: Машгиз, 1952. 78 с.
32.
Гусев В.Н. Исследование процесса электроэрозионной обработки
металлов: диссртация канд. техн. наук/ В.Н. Гусев. – М., 1954. – 195 с.
33.
Гусев Н.Н Электрохонингование/ Н.Н. Гусев// Электрические и
ультразвуковые методы обработки материалов. – Л.: Лениздат, 1958. – С. 5-88.
34.
Дахин О.Х. Исследование кинетики образования отложений осадка на
стенках теплообменной аппаратуры/ О.Х. Дахин. // Химия и химическая
технология. –Волгоград 1978. – С.237–286.
132
35.
Де Барр А.Е. Электрохимическая обработка (пер. с англ.)/ А.Е. Де
Барр, Д.А. Оливер. – М.: «Машиностроение», 1973, 184 с.
36.
Дикушин Г.А. Выбор технологических режимов при анодно-
механическом профилировании/ Г.А. Дикушин // Новое в электрофизической и
электрохимической обработке металлов. – Л.: Лениздат, 1959. – С. 86-92.
37.
Димов Ю.В. Обработка деталей свободным абарзивом/ Ю.В. Димов. –
Иркутск: ИрГТУ, 2000 – 292 с.
38.
Жандаров Д.А. Высокочистовая анодно-механическая полировка
материалов/ Д.А. Жандаров // Новое в электрофизической и электрохимической
обработке металлов. – М.-Л.: Машиностроение, 1966. – С. 91-97.
39.
Зенкевич Ю.В., Секретарь В.Э. Образование отложений из окислов
железа в трубах парогенераторов сверхкритического давления/ Ю.В. Зенкевич,
В.Э. Секретарь // Теплоэнергетика. 1976. №11. С.66-69.
40.
Казанцев А.С. Анодно-механическое шлифование металлов в
ремонтном производстве/ А.С. Казанцев. – М.-Л.: Машгиз, 1955. – 88 с.
41.
Калафати Д.Д. Оптимизация теплообменников по эффективности
теплообмена/ Д.Д. Калафати, В.В. Попалов – М.: Энергоиздат, 1986. 152 с.
42.
Кан Б.И. Анодно-механическая чистовая обработка/ Б.И. Кан, И.Г.
Космачев. – М.-Л.: Машгиз, 1952. – 45 с.
43.
Кангун В.Р. Алмазные зенкеры и развертки для обработки отверстий в
неметаллических материалах/ В.Р. Кангун, Р.З. Цыпкин// Станки и инструмент,
19870, №1, с 20-21.
44.
Катец Н.В. Металлизация напыление/ Н.В. Катец. – М.:
Машиностроение, 1966. – 200 с.
45.
Кейбаш И.Д. Влияние некоторых параметров на производительность
электрохимического хонингования/ И.Д. Кейбаш, И.Н. Верховецкий //
Электрофизические методы обработки восстановленных деталей / Тр.
Кишиневского СХИ. – Кишинев, 1973. – Т.107. – С. 13-16.
46.
Клепиков В.В. Технология машиностроения/ В.В. Клепиков, А.Н.
Бодров, Учебник. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М. 2004. –860с.
133
47.
Кононенко Р.В. Контроль качества внутреннего покрытия
трубопровода/ Р.В. Кононенко, И.Г. Майзель// «Вестник ИрГТУ» – 2013. – №6 –
С. 17–21
48.
Кононенко Р.В. Методы очистки твердых отложений с внутренней
поверхности ребристых труб// Химическое и нефтегазовое машиностроение –
2014 – №3 – С 40–41.
49.
Корнейчук И.Н. Гальваномеханический способ восстановления
деталей машин/ И.Н. Корнейчук // Новые технологические процессы
востановления деталей машин. – Кишинев: Штиинца, 1988. – С. 10-21
50.
Короткова Е.И. Планирование и организация эксперимента: учебное
пособие/ Е.И. Короткова; Томский политехнический университет. – Томск: Издво Томского политехнического университета. 2010. – 122 с.
51.
Космачев И.Г. Анодно-механическое затачивание твердосплавного
инструмента/ И.Г. Космачев, П.С. Крыжановский, П.Д. Климченков. – М.-Л.:
Машгиз, 1952. – 107 с.
52.
Космачев И.Г. Обработка металлов анодно-механическим способом/
И.Г. Космачев. – М.-Л.: Машгиз, 1961. – 84 с.
53.
Косолапов И.И. Работа на анодно-механических заточных станка/ И.И
Косолапов, И.Г. Космачев, А.Л. Вишницкий. – М.–Л.: Машниз, 1952. – 78 с.
54.
Кремень З.И. Хонингование и суперфиниширование деталей/ З.И
Кремень, И.Х. Стратиевский. – Л.: «Машиностроение», 1988. – 137 с.
55.
Куликов С.И. Прогрессивные методы хонингования/ С.И Куликов,
Ф.Ф. Ризванов, В.А. Романчук, С.В. Ковалевский. – М.: «Машиностроение», 1983.
135 с.
56.
Куликов С.И. Хонингование. Справочное пособие/ С.И Куликов, Ф.Ф.
Ризванов, В.А. Романчук, Ю.М. Евсеев. – М.: «Машиностроение», 1973. 168 с.
57.
Левин Б.Г. Алмазное хонингование отверстий/ Б.Г. Левинг, Я.Л.
Пятов. – Л.: «Машиностроение», 1969. 112 с. Табл. 29. Илл. 37
58.
Лобастов В.В. Электроабразивное шлифование деталей из
жаропрочных сплавов/ Лобастов В.В. Петров Г.И. – Л.: ЛДНТП, 1980. 32 с.
134
59.
Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания/ А.Д. Макаров. – М.:
Машиностроение, 1976. – 278 с.
60.
Маневич Ш.С. Простейшие статистические методы анализа
результатов наблюдения и планирования экспериментов/ Ш.С. Манвич. – Казань:
КСХИ, 1970 – 108 с.
61.
Манькина H.A. К вопросу о механизме железоокисного
накипеобразования/ Н.А. Манькина, Б.Л. Кокотов //Теплоэнергетика. 1973. №9. С.
15-17.
62.
Манькина H.A. Накипеобразование в паровых котлах с многократной
циркуляцией/ Н.А.Манькина //Теплоэнергетика. 1958. №12. С. 12—18.
63.
Манькина H.A. Способы выявления процесса железоокисных
отложений на внутренних поверхносях нагрева котлов высокого давления/ Н.А.
Манькина, А.Г. Ткаченко, Л.Г. Бубновская // Теплоэнергетика. 1960. №9. С. 30-34.
64.
Манькина H.A. Условия образования отложений в присутствии ряда
накипеобразователей и способы их предотвращения/ Н.А.Манькина //
Электрические станции. 1962. №2. С. 13-16.
65.
Матюшенок В.Я. Износостойкость наводороженных материалов/ В.Я.
Матюшенок // Исследование водородного износа. – М.:Наука, 1977. – С.24-27
66.
Методы повышения долговечности деталей машин/ В.Н. Ткачев, М.Б.
Фиштейн, В.Д. Власенко. – М.: Машиностроение, 1971. – 271 с.
67.
Митяшкин Д.З. Теоретическое основы формообразования при
электрохимической обработке: Учеб. пособие/ Д.З. Митяшкин. – М.:
Машиностроение, 1980. – 277с.
68.
Мороз И.И. Электрохимическая обработка металлов/ И.И. Мороз, Г.А.
Алексеев, О.А. Водяницкий и др. – М.: Машиностроение, 1969. 208 с.
69.
Надежность и ремонт машин/ В.В. Курчаткин; под ред. В.В.
Курчаткина. – М.: Колос, 1972. – 527 с.
70.
Пекин В.В. К вопросу о физической природе анодно-механической
обработки: диссертация канд. тех. наук/ В.В. Пекин. – Л., 1953. – 153 с.
135
71.
Петров Ю.Н. Основы теории и практики электрохимического
формообразования/Ю.Н. Петров, Г.Н. Кочергин, Г.Е. Зайдман, Б.П. Саушкин. –
Кишинев: Штиница, 1977. 151 с.
72.
Плиско Э.И. Исследование процесса анодно-механической доводки
применительно к ремонту закаленных гильз цилиндров тракторных двигателей:
дис. канд. тех. наук// Э.И. Плиско. – Горки, 1972. –19 с.
73.
Подураев В.Н. Алмазное вибрационное хонингование отверстий в
стальных закаленных деталях/ В.Н. Подураве, А.А. Суворов // Синтетические
алмахы в промышленности. – Киев: Техника, 1974. – С. 162-172.
74.
Попилов Л.Я. Электротехнология.: практическое пособие/ Л.Я.
Попилов, М.С. Демчук, И.Я. Богорад. – М.: Судпромгиз, 1952. – 378 с.
75.
Попилов Л.Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым
методам обработки металлов/ Л.Я. Попилов. – Л., «Машиностроение», 1971. 544
с. Табл. 278. Илл. 274
76.
Потапов И.Н. Технология производства труб/ И.Н. Потапов, А.П.
Коликов, В.Н. Данчнко, В.В. Фролочки и др. – М.: Металлургия, 1994. –528 с.
77.
Пронников А.С. Надежность машин/ А.С. Пронников. – М.:
Машиностроение, 1978. – 590 с.
78.
Размерная электрическая обработка металлов / В.А. Артамонов, Ю.С.
Волков, А.В. Глазков. – М.: Высшая школа, 1978. – 336 с.
79.
Резников М.И. Отложения продуктов коррозии на обогреваемых и
необогреваемых поверхностях из нержавеющей стали / М.И. Резников.
80.
Романов В.В. Методы исследования коррозии металлов/ В.В.
Романов. – М.: Машиностроение, 1965. – 186 с.
81.
Румянцев Е.М Технология электрохимической обработки металлов/.
Е.М. Румянцев, А.Д. Давыдов, Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 1984.–159
с.
82.
Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости
деталей машин/ Э.В. Рыжов. – Киев: Наука думка, 1984. – 271 с.
136
83.
Рыжов Э.В. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств
машин/ Э.В. Рыжов, А.Г. Суслов, В.П. Федоров. – М.: Машиностроение, 1979. –
176 с.
84.
Рябинок Э.В Электрохимическая размерная обработка металлов и
сплавов/ А.Г. Рябинок. – Л.: Лениздат, 1965. – 152 с.
85.
Саркисов А.Г. Скоростная анодно-механическая обработка в
распыленном электролите/ А.Г. Саркисов // Новое в электрофизической и
электрохимической обработке металлов. – М.-Л.: Машиностроение, 1966. – С.
102-106.
86.
Сидняев Н.И. Теория планирования эксперимента и анализ
статических данных/ Н.И. Сидняев. – М.: Издательство Юрайт, 2012. – 399 с.
87.
Соколов С.П. Обработка деталей абразивными брусками/ С.П.
Соколов. – М.: Машиностроение, 1967. – 124 с.
88.
Способ восстановления изношенной боковой поверхности деталей
типа втулки: А.С. 1205423 СССР/ В.П. Нечаев, В.И. Ахатов, Б.Л. Таубин. – Заявл.
29.07.75. Опубл. 27.04.78. – Бюл. №3.
89.
Способ восстановления отверстий в корпусных деталях:А.В. 2360777
РФ/ А.В. Котин, В.Н. Сивцов. – Заявл. 24.12.2007. Опубл. 10.07.2009.
90.
Стратиевский И.Х. Абразивная обработка. Справочник/ И.Х.
Стратиевский, В.Г. Юрьев, Ю.М. Зубарев. – М.: «Машиностроение», 2010. 352 с.
91.
Суворова Г.С. Определение газосодержания при электрохимической
обработке в плоскопараллельном канале с учетом изменения скорости течения
электролита вдоль трассы / Г.С. Суворова, Г.Р. Энгельгардт, Г.Н. Зайдман.
Электронная обработка материалов 1981, № 5. С. 13-16.
92.
Суслов А.Г Научные основы технологии машиностроения/ А.Г.
Суслов, А.М. Дальский. – М.: Машиностроение, 2002. 684 с. с илл.
93.
Суслов А.Г. Зависисмость коррозионной стойкости деталей машин от
качества их поверхности/ А.Г. Суслов, О.Н Федонин // В сб. Поверхность.
Технологические аспекты прочности деталей. Уфа: УГАТУ, 1996. С. 107–112.
137
94.
Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин/ А.Г.
Суслов. – М.: «Машиностроение», 2000. – 320 с.
95.
Суслов А.Г. Технология машиностроения: Учебник для студентов
машиностроительных специальностей вузов, в 2-ч томах/ А.Г. Суслов. – М.:
Машиностроение, 2007. – 430 с.
96.
Фрагин И.Е. Исследование процесса хонингования/ И.Е. Фрагин, В.Г.
Сафронов. – М.: Машгиз, 1965. – 87 с.
97.
Фрагин И.Е. Новое в хонинговании/ И.Е. Фрагин. – М.:
Машиностроение, 1980. – 96 с.
98.
Чеповецкий И.Х. Механика контактного взаимодействия при
алмазной обработке/ И.Х. Чеповецкий. – Киев: Наук. Думка, 1978. – 228 с.
99.
Шайхутдинов Р.Р. Возможности электрофизических и
электрохимических способов при восстановлении деталей/ Р.Р. Шайхутдинов,
Х.С. Фасхудинов// Сб. Научных трудов Казанской ГСХА. – Казань: Изд-во
КГСХА, 1998. – С. 90-92.
100. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным
микрорельефом/ Ю.Г. Шнейдер. – СПб: СПбГИТМО, 2001. – 264 с.
101. Щербак В.М. Основы теории и практики электрохимической
обработки металлов и сплавов/В.М. Щербак, М.А. Толстая, А.П. Анисимов, В.Х.
Постаногов. – М.: Машиностроение, 1981. – 263 с.
102. Электрохонингование А.С. 86377. / В.Н. Гусев, Н.Н Гусев. –
20.11.1947.
103. Эльянов В.Д. Точность и качество поверхности при обработке
абразивным инструментом. В.Д. Эльянов. – М.: Машиностроение, 1977 – 48 с.
104. Юшков В.В Опыт внедрения абразивной и алмазной обработки при
восстановлении деталей машин / В.В. Юшков. – М.: Машиностроение, 1989. – 64
с.
105. Ягутки А.А. Исследование процесса электрохимического
хонингования цилиндрически поверхностей стальных деталей: диссертационная
работа канд. тех. наук/ А.А, Ягуткин. – Тюмень: ТПИ, 1971. – 20 с.
138
106. Янушким А.С. Технология электроалмазного затачивания режущих
инструментов и методы её реализации/ А.С. Янушкин. – Старый Оскол: ТНТ,
2013. –336 с.
107. Horgan J.E. Electrolytic boots for honing. American Machinist,
Metaloorhing. Mars, vol. 106, №5, 81, 1962.
108. Kuhn A.T. Industrial electrochemical processes/ A.T. Kuhn, – Elsevier
Pub. Co., 1971 – Science – 632 pages
109. Michaelis A. International Symposium on ElectroChemical Machining
Technology/ A Michaelis, M Schneide. – Fraunhofer Irb Stuttgart, 2009, – 129 p.
110. Riggs J.B. Modeling of the Electrochemical Machining Process/ J.B.
Riggs. – U.M.I Dissertation services, 1993. – 274 p.
111. Staub W. Elekrochemisches honen von langen Bohrugen/ W. Straub//
Werkstatt und Betrieb, 1971, 104, №3.
112. Wilson J.F. Practice and Theory of Electrochemical Machining, WileyInterscience, 1971, – 252 p.
139
Приложение А
МАТРИЦА-ПЛАН ПЯТИФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Номер
опыта
Х1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
12
13
14
15
16
17
1
2
3
4
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
Х2
Факторы
Х3
Х4
Х5
2
2
2
2
1
2
2
2
2
2
3
4
3
4
3
3
4
2
2
2
2
2
2
1
3
3
3
3
4
3
4
3
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
1
3
2
4
2
4
2
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
2
3
4
4
140
Приложение Б
РАСЧЕТНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ
,%
10
15
20
25
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
10
10
10
10
n,
мин-1
320
320
320
320
210
420
540
320
320
320
420
540
420
320
540
320
420
540
Iрасч,
А
100
100
100
100
100
100
100
150
150
150
150
180
150
150
180
150
100
180
р,
МПа
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,025
0,05
0,025
0,075
0,05
0,1
0,05
0,05
0,1
0,05
0,05
0,1
Iр, A
97
97,5
97,3
97,8
98
97,9
98
148
147,9
148,1
148,4
179
179,3
181,2
182
152
98,6
182
Rzрасч,
мкм
11
11
11
11
16
11
13
11
11
9
19
17
16
17
8
11
16
10
Rzэкс,
мкм
12
12
12
11
15
12
13
10
11
10
18
15
16
18
7,4
12
15
8
Mрасч,
г/мин
2,172
2,175
2,164
2,18
1,854
2,473
2,226
3,187
3,012
3,485
2,883
3,213
3,025
2,389
4,486
3,779
3,287
4,889
Мэкс,
г/мин
2,15
2,13
2,12
2,14
1,8
2,45
2,2
3,2
2,9
3,46
2,84
3,19
3,0
2,40
4,86
3,80
3,21
4,85
ЗЭИ,
мкс
100/125
100/125
100/125
100/125
100/125
100/125
100/125
100/125
100/125
100/125
40/28
40/28
40/28
40/28
100/125
250/315
400/315
400/315
141
Приложение В
РЕЗУЛЬТАТ СЕРИИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
№
Х1,
,%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
10
15
20
25
15
15
15
15
15
15
15
15
15
15
10
10
10
10
Х5,
Х2, n, Х3, I, Х4, р,
ЗЭИ,
мин-1
А
МПа
мкс
320
100
0,05
100/125
320
100
0,05
100/125
320
100
0,05
100/125
320
100
0,05
100/125
210
100
0,05
100/125
420
100
0,05
100/125
540
100
0,025
100/125
320
150
0,05
100/125
320
150
0,025
100/125
320
150
0,075
100/125
420
150
0,05
40/28
540
180
0,1
40/28
420
150
0,05
40/28
320
150
0,05
40/28
540
180
0,1
100/125
320
150
0,05
250/315
420
100
0,05
400/315
540
180
0,1
400/315
Iр, A
Rz,
мкм
M,
г/мин
C, %
m,
г/мин
97
97,5
97,3
97,8
98
97,9
98
148
147,9
148,1
148,4
179
179,3
181,2
182
152
98,6
182
12
12
12
11
15
12
13
10
11
10
18
15
16
18
7,4
12
15
8
2,15
2,13
2,12
2,14
1,8
2,4
2,2
3,1
2,9
3,46
2,84
3,1
3
2,4
4,4
3,7
3,2
4,8
78
79
78
80
73
80
82
84
82
86
79
74
73
71
90
86
84
92
0,1
0
0
0
0
0,1
0
0
0
0,12
0
0,1
0
0
0,12
0,13
0,11
0,1