Иванов В.И.
Энергетические исследования электроискрового метода нанесения металлопокрытий
УДК 621.9.048
Иванов В.И.
ФГБНУ Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Москва
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО МЕТОДА НАНЕСЕНИЯ МЕТАЛЛОПОКРЫТИЙ
В статье приводятся результаты экспериментальных исследований процесса электроискрового легирования (ЭИЛ) по установлению взаимосвязи энергетических параметров этого процесса и условий обработки. Рассмотрено влияние материала и размеров электрода, его температурного состояния на энергетические параметры процесса ЭИЛ при использовании установки «БИГ-5». Установлено, что параметры электродов оказывают влияние на количество импульсов верхнего уровня (повышенной энергии) и их суммарную энергию.
Ключевые слова: электроискровое легирование; электрические параметры; технологические параметры; энергетическая картина; установка; режим; электрод.
Развитие и применение цифровых технологий и использование на их основе различных методов обработки материалов требует наличия информации об основных управляемых параметрах этих методов и их влиянии на результаты их реализации. Это касается в полной мере и электроискрового метода нанесения металлопокрытий – электроискрового легирования (ЭИЛ), - известного и применяемого в машиностроительном и ремонтном производстве более 70 лет.
За прошедшие десятилетия изучены физические и химические основы этого метода и формирования электроискровых (ЭИ) покрытий, накоплен значительный опыт практического его использования, созданы многие образцы ручных, механизированных и автоматизированных установок, разработаны электродные материалы для нанесения функциональных покрытий. Наряду с этим, существуют проблемы, препятствующие более широкому и эффективному применению метода ЭИЛ. Сюда можно отнести ограниченность информации о взаимосвязи энергетических и технологических параметрах процесса ЭИЛ, несмотря на многочисленность публикаций в отечественной и зарубежной литературе. Отсутствие необходимых знаний об энергетических параметрах процесса ЭИЛ во взаимосвязи с условиями обработки не позволяет технологам-искровикам использовать в полной мере возможности этого метода, на производстве такое неудовлетворительное состояние энергетических исследований отражается в нестабильности процесса ЭИЛ и недостаточной эффективности ее применения.
Целью данных исследований являлось определение влияния материала и размеров электрода, его температурного состояния на энергетические параметры процесса ЭИЛ при использовании установки «БИГ-5» [1].
Методика выполнения исследований основана на техническом решении [2] и описана в [3]. Суть ее заключается в следующем: 1) автоматическая запись с применением компьютерной программы «LGraf» процесса ЭИЛ на выбранных электрическом режиме и условиях обработки (образец-катод, электрод-анод, обрабатывающее устройство и проч.), что является основой для последующей обработки; 2) определение параметров, характеризующих ЭИ процесс, по энергетическим картинам с помощью компьютерной программы «Matlab», адаптированной к процессу ЭИЛ; 3) определение параметров, характеризующих единичные импульсы, с помощью компьютерной программы «LGraf», также адаптированной к ЭИЛ.
Для пояснения в качестве примера приведем энергетические картины распределения искровых импульсов по величине энергии (рис. 1), записанные на двух электрических режимах при ЭИЛ твердым сплавом Т15К6 стали 45 в течение 10 с (базовое время), при этом использовалась установка «БИГ-5». Отметим, что аналогичный характер имеют энергетические картины распределения искровых импульсов по их длительности.
Видно существенное различие этих картин по распределению искровых импульсов.
а
б
Рис. 1. Энергетические картины процесса ЭИЛ на установке «БИГ-5»
(катод – сталь 45, анод – Т15К6): а - режим 1 (энергия импульсов Е=0,11 Дж,
частота импульсов fимп=160 Гц); б - режим 5 (Е=0,11 Дж, fимп=800 Гц)
Для дальнейшей обработки информации согласно этим картинам методикой исследований [3] принято выделять на них характерные зоны: нижнюю, среднюю и верхнюю. Отметим особенность выделения этих зон: низкоэнергетическая составляет до 20 % от максимальной энергии; высокоэнергетическая – не менее 70 %, остальное – среднеэнергетическая.
Программой экспериментальных исследований было предусмотрено установление влияния на энергетические параметры процесса ЭИЛ (максимальные значения энергии импульсов и импульсного тока, удельные значения количества импульсов верхнего – высокоэнергетического - уровня и их суммарной энергии) материала электрода, его размеров и температурного состояния.
Для ЭИЛ были использованы два различных по энергии электрических режима установки «БИГ-5»: №№ 30 и 70 (согласно паспортным данным Е30 = 0,32 Дж и Е70 = 10 Дж). Выбраны электроды из разных материалов: металлокерамические твердые сплавы ТТ21К9 {21(TiC+TaC) + 70WC + 9Co}, Т15К6 (15TiC + 79WC + 6Co), а также медь М1, различающиеся по свойствам в значительных пределах, - разных размеров, т.е. условно «короткий» и «длинный» - соответственно, соотношение диаметра электрода к его длине 1:4 и 1:13, - а также разного температурного состояния - условно «холодный» и «горячий» - соответственно, без предварительного разогрева перед началом эксперимента и с предварительным разогревом при ЭИЛ на жестком электрическом режиме до покраснения его рабочего участка, примерно, 600 оС.
Результаты исследований.
Максимальная энергия импульсов (Еимп max, Дж). На этот параметр рассматриваемые переменные условия оказывают влияние в разной степени в зависимости от электрического режима. На режиме № 30 это влияние более заметно, различие достигает порядка 50%. Причем наибольшее значение достигнуто при ЭИЛ твердым сплавом ТТ21К9. Повышение температуры электрода весьма незначительно отразилось в увеличении максимальной энергии импульсов на 30-м режиме, но на 70-м режиме это увеличение достигло 10%.
Максимальный импульсный ток (Iимп max, А). Сопоставление гистограмм (рисунки 2а и 2б) показывает их идентичность, что позволяет сделать вывод об одинаковом характере влияния рассматриваемых условий, как на максимальную энергию импульсов, так и на изменение максимального импульсного тока.
а
б
в
г
д Рис. 2. Гистограммы влияния материала электрода, его длины и температурного состояния на энергетические параметры электрических режимов установки «БИГ-5»:
а – максимальная энергия импульсов, Дж; б – максимальный импульсный ток, А; в – удельное количество импульсов верхнего уровня, 1/с; г – удельная суммарная энергия верхнего уровня, Дж/с; д - максимальная длительность импульсов, мкс
Удельное количество импульсов верхнего уровня (nимп уд раб, 1/с). Из рисунка 2в видно, что этот параметр в большей степени зависит от рассматриваемых условий обработки, чем рассмотренные выше. Особенно это проявляется на режимах пониженной мощности, в частности, на среднем 30-м режиме установки. Наибольшее удельное количество импульсов отмечено при ЭИЛ твердым сплавом ТТ21К9 – 537 с-1. Для сравнения: при ЭИЛ медью этот параметр находится в пределах 293-308 с-1. Заметно проявлено влияние температурного состояния электрода: Nимп «горячего» электрода превышает Nимп «холодного» электрода более чем на 70%. Длина электрода из меди заметного влияния здесь не оказала.
Удельная суммарная энергия импульсов верхнего уровня (Е уд раб, Дж/с). На основании экспериментальных данных, отраженных на рисунке 2г, следует, что этот параметр в большей степени зависит от рассматриваемых условий более мягкого режима № 30, чем от мощного 70-го режима. Для сравнения: на этом режиме наиболее высокая удельная суммарная энергия импульсов верхнего уровня зафиксирована при ЭИЛ твердым сплавом ТТ21К9, она составляет 227 Дж/с; для Т15К6 – 86 Дж/с, для меди – 83-98 Дж/с. Увеличение температуры электрода повысило значение рассматриваемого параметра почти в 2 раза. Около 20 % дало приращение применение длинного медного электрода. Видно также различие степени влияния рассмотренных параметров при работе на разных энергетических уровнях.
Максимальная длительность импульсов (tимп max, мкс). Как видно из рисунка 2д, наиболее высокое значение максимальной длительности импульсов при ЭИЛ сплавом ТТ21К9 – 345 мкс на 30-м режиме и 2420 мкс на 70-м режиме. Повышение температурного режима электрода Т15К6 не влияет на значение рассматриваемой характеристики на 30-м режиме, но очень незначительно его увеличивает на 70-м режиме: с 2350 до 2400 мкс. Изменение длины электрода на примере меди также не оказывает существенного влияния на максимальную длительность импульсов.
Результаты выполненных экспериментов обобщены в таблице.
Таблица. Влияние характеристик электрода на энергетические
параметры ЭИ процесса (использована установка «БИГ-5»)
Электрод Влияние 30% на энергетические параметры (влияет «+», не влияет «-»)
максимальная энергия импульсов
максимальный импульсный ток
максимальная длительность импульсов удельное количество импульсов верхнего уровня удельная суммарная энергия импульсов верхнего уровня
Материал - - - + +
Длина - - - - -
Температура - - - + +
Видно, что параметры единичных импульсов не зависят от характеристик электродов, но последние оказывают влияние на результирующие энергетические характеристики процесса ЭИЛ, что, несомненно, отражается на интенсивности формирования покрытий.
Заключение
1. Экспериментальные энергетические исследования процесса ЭИЛ показали влияние материала электрода и его температурного состояния на удельное количество импульсов верхнего уровня (повышенной энергии) и их удельную суммарную энергию, при этом влияние длины электродов несущественно.
2. Использованная методика обладает комплексностью и позволяет исследовать как параметры единичных электрических импульсов, так и электроимпульсного процесса в целом. Ее применение доступно не только для специалистов электрических специальностей, но полезно и для технологов.
Библиографический список
1. Иванов В.И., Гришко А.А. Электроискровая установка «БИГ-5» для универсального применения при упрочнении и восстановлении деталей и инструментов. / Упрочняющие технологии и покрытия, 2014, № 6, с. 20-23.
2. Черноиванов В.И., Иванов В.И., Бурумкулов Ф.Х., Поддубняк В.Я. Способ определения энергетической эффективности процессов обработки материалов электроискровым легированием / Патент РФ № 2482943 по заявке № 2011135300 от 24.08.2011.
3. Иванов В.И. Энергетические параметры процесса электроискровой обработки металлических поверхностей: методика определения параметров (на примере установки «БИГ-1») / Электронная обработка материалов, 2015, 51 (1), с. 105-113.
Ivanov V.I.
FSBI Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow
ENERGY RESEARCHES OF ELECTRO-SCRATICAL METHOD
OF APPLICATION OF METAL COATINGS
The article presents the results of experimental studies of the process of electrospark alloying (ESA) to establish the relationship of the energy parameters of this process and processing conditions. The influence of the material and the size of the electrode, its temperature state on the energy parameters of the ESA process using the “BIG-5” installation is considered. It is established that the parameters of the electrodes affect the number of upper-level pulses (increased energy) and their total energy.
Keywords: electrospark alloying; electrical parameters; technological parameters; energy picture; installation; mode; electrode.
К списку докладов