1.Разработка метода электрохимической обработки зубчатых колес

1. Технологическое обеспечение конструкционной прочности деталей машин.

Потребности производства являются первым и основным условием внедрения новых технологических процессов. В конце 60-х годов XX-го столетия стало очевидным, что перспективы дальнейшего развития отдельных отраслей специального машиностроения, квантовой электроники, радиотехники, космонавтики, вычислительной техники, а также биологии и хирургии во многом будут определяться достижениями новой отрасли – микрокриогенной техники. Создание микрокриогенных систем является сложной задачей и связано с миниатюризацией машин. Это приводит к резкому увеличению удельных нагрузок в механизмах и к снижению эффективности и ресурса машин. В газовых криогенных машинах потери на трение достигают 45%, в электродвигателях – 20, а в поршневых и мембранных компрессорах еще выше. Большие потери на трение не только снижают экономичность, но и вследствие повышенного износа рабочих поверхностей уменьшают ресурс машин. К числу наиболее характерных неисправностей относятся износ пар трения и разрушение деталей зубчатых передач.

Создание эффективных микрокреогенных машин, обеспечивающих заданный ресурс работы, стало возможным после разработке и внедрения в производство прогрессивных электрохимических и электрофизических методов обработки деталей зубчатых передач, опорных узлов и других пар трения. Именно развитие микрокриогенной техники стало причиной создания электрохимического способа обработки зубчатых колес.

Проблема повышения ресурса машин очень остро стоит не только перед микрокриогенной техникой, но и в автомобиле- и тракторостроении, станкостроении и машиностроении практически всех отраслей. Известно, например, что в тракторостроении лишь часть производственных мощностей используется для изготовления новых машин , а основная часть – для изготовления запасных частей и ремонта изношенной техники.

В конечном счете, ресурс любой машины определяется конструкционной прочностью входящих в неё деталей. Под конструкционной прочностью понимают прочность деталей в реальных условиях эксплуатации с учётом геометрических, металлургических и технологических факторов [14]. Структурный состав конструкционной прочности (рис. 3) включает особенности конструкции детали, свойство материала, степень достоверности расчетов на прочность, особенности эксплуатации и технологию изготовления. При этом влияние технологии изготовления осуществляется через выбор метода получения заготовки, термической, химико-термической или термомеханической обработки, регулирование остаточных напряжений в детали, применение поверхностной обработки и упрочнения, нанесения покрытий и технологичность сборки узлов и соединений.

Рис.3. Факторы, определяющие конструкционную прочность деталей машин

Влияние технологических факторов (табл. 2) на усталостные характеристики деталей машин учитывается дифференциальным методом определения допускаемых напряжений [18]. Анализируя степень влияния введенных здесь частных коэффициентов на величину запаса прочности можно сделать вывод, что современный уровень развития методов расчета и проектирования в целом металлургического производства и методов исследований материалов позволяют прогнозировать с высокой достоверностью величину следующих коэффициентов:

− запаса прочности ;

− расчётно-конструкторских факторов ;

− методов испытания металлов .

Наиболее приближенной является оценка влияния технологического процесса на величину допускаемых напряжений. Она выражается через

.

В рассмотренных выше и других работах, несмотря на различный методический подход, во-первых, отмечается существенное влияние технологии изготовление детали на конструкционную прочность и, во-вторых, особо выделяется зависимость работоспособности и ресурса работы от состояния поверхностного слоя детали.

Согласно схеме, предложенной А.А.Бочваром и И.А.Одингом[19], прочность металла определяется количеством несовершенств кристаллической решетки (рис. 4.). А так как любой технологический процесс обработки детали сопровождается изменением количества этих несовершенств, то правильный выбор метода и режимов обработки определяет конструкционную прочность детали.

Таблица 2

Дифференциальный метод определения допускаемых напряжений по частным коэффициентам запаса прочности ( метод Одинга И.А. )

Факторы	Частные коэффициенты	Величина коэффициентов
		min	max
Запас прочности	− коэффициент, учитывающий надежность материалла	1,10	1,30
	− степень ответственности детали − условия службы	1,00	1,30
Расчетно-конструкторские факторы	− коэффициент, учитывающий точность расчетных формул и учета действующих сил	1,00	1,00
	− коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений	1,30	2,00
Методы испытания металлов	− коэффициент для пересчета с одной характеристики прочности на другую	1,00	1,00
	− коэффициент, учитывающий количество испытуемых изделий	1,05	1,15
	− коэффициент, учитывающий влияние размеров изделия на прочность	1,10	1,25
Технологический процесс	− учитывает снижение прочности из-за состояния поверхности	1,00	1,57
	− учитывает влияние на прочность остаточных напряжений	1,00	1,20
	− учитывает напряжение при сборке и при тугих посадках	1,20	1,20
Коэффициент общего запаса прочности:		1,98	19,75

В [28] отмечается, что снижение усталостной прочности в следствие неоптимальной шероховатости составляет порядка 69−71%, наклепа − 23−27% и остаточных напряжений – 4−6%.

Влияние качества поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей (износостойкость, стабильность посадок, коррозионную стойкость, усталостную прочность и др.) является общепризнанным. В свою очередь, современный уровень развития технологии машиностроения, электрохимических и электрофизических методов обработки позволяет целенаправленно формировать свойства поверхностного слоя деталей машин, повышая их конструкционную прочность.

Рис. 4. Схема изменения прочности[19]: а - соответствует теоретической прочности, а−в - разупрочнение; в−с- упрочнение; с−d- насыщение дефектами и разрушение.

Формирование свойств поверхностного слоя происходит, как правило, на финишных операциях. В связи с этим наибольшую важность приобретает анализ применения различных методов обработки на финишных операциях с целью получения максимально возможной конструкционной прочности детали. Воздействие на заготовку на финишных операциях может осуществляться:

а) удалением металла в процессе резания (точение, шлифование и т.д.);

б) съемом металла, осуществляемом на ионном уровне (электрохимическая обработка);

в) изменением свойств поверхностного слоя без съема металла или за счет насыщения (покрытия) поликристаллической структуры инородными материалами или их композициями (химико-термическая обработка, методы поверхностно-пластического деформирования, плазменное напыление, ионная имплантация и т.д.).

Отделочные операции, реализующие последнее направление, требуют самостоятельного рассмотрения, выходящего за рамки данного пособия.

В рациональном выборе метода чистовой обработки (связанной с удалением металла) должны учитываться следующие факторы:

А. Характеристики метода обработки:

1) производительность процесса обработки;

2) точность изготовления;

3) получаемые параметры шероховатости;

4) экономические показатели;

5) возможность концентрации операции и др;

Б. Характеристики заготовки:

1) материал и химико-термическая обработка;

2) наследственность от предыдущей обработки (величина погрешностей формы и размеров заготовки, качество поверхностного слоя);

3) форма детали (сложность конструкции) и др.

С усложнением формы детали не только ухудшаются ее прочностные характеристики, но и значительно возрастает трудоемкость чистовой обработки. Поэтому дальнейшее изложение материала посвящено изготовлению зубчатых колес – одной из наиболее распространенных, тяжело-нагруженных осесимметричных деталей, имеющих сложную конфигурацию рабочих поверхностей.

2. Выбор метода обработки на чистовых операциях изготовления зубчатых колес

В современном машиностроении большая точность, высокие параметры шероховатости зубчатых колес достигаются многооперационной технологией за счет использования зубоотделочных операций в определенной технологической последовательности (шевингование, зубошлифование, притирка, приработка и др.), несмотря на резкое увеличение трудоемкости и типажа зубоотделочных станков.

Производительность изготовления и качество обрабатываемых зубчатых колес при механических зубоотделочных операциях зависят от твердости обрабатываемой поверхности, износа инструмента, жесткости системы станок−приспособление−инструмент−деталь, а также кинематических данных станка, динамических нагрузок, величины снимаемого припуска, исходной шероховатости поверхности и других факторов. Получение теоретической эвольвентой поверхности зуба зависит от перечисленных выше факторов (постоянных и переменных), влияние которых не всегда можно учесть при отработке технологических процессов. Значительно уменьшить влияние этих факторов практически не представляется возможным. Они вызваны самим способом механической обработки, который базируется на резании металла. Для механической обработки характерен износ инструмента и, как следствие, потеря точности его геометрии. На рабочей поверхности профиля зуба возникают микроотклонения от идеальной поверхности (шероховатость и волнистость), следовательно сопряжение эвольвентных поверхностей прямозубых зубчатых колес не будет линейным.

Таким образом, большое количество отделочных операций, используемых для повышения конструкционной прочности зубчатых колес, обусловлено ограниченными возможностями механического метода обработки, при котором, как правило, улучшение одного параметра происходит при сохранении или ухудшении других параметров, характеризующих конструкционную прочность. Более того, поверхностный слой при механической обработке возникает в сложных условиях одновременного воздействия очень больших давлений, высоких температур и интенсивного охлаждения, обусловленного хорошей теплопроводностью металла. Эти факторы, а также случайное распределение по поверхности наследственных технологических факторов от предыдущей обработки (микрорельеф, локальные фазовые состояния поликристаллической структуры и др.) существенно затрудняют управление качеством поверхностного слоя.

Таблица 3

Сопоставление методов механической и электрохимической обработки на чистовых операциях

Параметры	Идеализированный конечный результат	Конечный результат после механической обработки	Конечный результат после электрохимической обработки
1	2	3	4
Коэффициент общего запаса прочности	1,30−1,70	1,98−5,00	1,70−2,00
Точность (оценка по уровню шума при сопряжении зубчатых колес)	30 и менее дБ	78 и более дБ	(15−30) дБ
Шероховатость (оценка по величине радиуса кривизны при вершинах и впадинах и невилированию неровнастей)	Синусоидальный микрорельеф	Микрорельеф согласно ГОСТ 25142-82	Синусоидальный микрорельеф
Площадь фактического контакта	и более	−	−
Структура поверхностного слоя	Дефектный слой отсутствует	Дефективный слой имеется	Удаляется дефектный слой
Перемещение дислокаций поверхностного слоя	Ограничение перемещений дислокаций	Интенсивное перемещение дислокаций	Снижение интенсивности перемещения дислокаций
Остаточные напряжения	Формирование заданных остаточных напряжений	Неконтролируемые остаточные напряжения	Обеспечивает выход на уровень заданных остаточных напряжений
Изгибная и контактная усталостная прочность	Повышение изгибной и контактной усталостной прочности на (15−30)% и более, исключение питтингообразования и поломки зубьев	Характеризуется наличием питтинга и поломок зубьев зубчатых колес	Повышение изгибной и контактной усталостной прочности на 25%, исключается питтигообразование и поломка зубьев
Износостойкость (оценка по времени приработки)	Отсутствие обработки	Характеризуется наличием приработки	Микрорельеф формируется в процессе обработки. Время приработки уменьшается 2-3 раза
Обрабатываемость материала	Твердость не влияет на обрабатываемость материала	Повышение твердости производительность	Повышение твердости способствует повышению точности без снижения производительности

Наиболее полно проявляющиеся на чистовых операциях недостатки механической обработки обусловлены резанием (т.е. сдвигом) металла, и их устранение в принципе возможно при электрохимической обработке, заключающейся в анодном растворении металла поверхностного слоя заготовки (табл. 3)

Размерная электрохимическая обработка, предложенная в 1928 году В.Н.Гусевым и Л.А. Рожковым [20], нашла широкое применение в промышленности как у нас в стране, так и за рубежом. При обработке по этой схеме (рис. 5) между катодом−инструментом и анодом−заготовкой устанавливается межэлектродный зазор, позволяющий получить высокую производительность. Удаление продуктов анодного растворения из межэлектродного промежутка осуществляется потоком электролита. Высокая скорость электролита обеспечивается его принудительной подачей под давлением 3−4 МПа.

Рис. 5. Схема электрохимической обработки по методу В.Н Гусева и Л.А.Рожкова

Обработка по этой схеме применяется в основном на черновых операциях, так как точность обработки составляет мм. В межэлектродном промежутке возникают застойные зоны и вихревое движение электролита, наблюдается неравномерное удаление продуктов анодного растворения (неравномерная депассивация анодной поверхности), приводящие к электрохимическим размывам и неравномерному съему металла.

Лучшие результаты позволяют получить разработанные в нашей стране импульсно-технические схемы, включающие использование импульсных токов, движения катодов в процессе обработки по различным законом, пульсирующую подачу электролита, при которой процесс электролиза реализуется в неподвижном электролите, а удаление продуктов анодного растворения из межэлектродного промежутка вынесено в нерабочую часть цикла обработки (рис. 5).

Использование импульсных токов позволяет в ряде случаев эффективно влиять на кинетику анодного растворения, уменьшить влияние гидродинамического фактора и снизить высоту микронеровностей. В ряде случаев применяют отсос газожидкостной смеси [16], секционную электрохимическую обработку с последовательной подачей тока [11], позволяющую несколько повысить точность формообразования поверхностей, уменьшить шероховатость. Однако эти и другие приемы повышения точности и параметров шероховатости получаемой поверхности существенно снижают производительность процесса обработки.

Рис. 5. Импульсно-циклическая схема электрохимической обработки [18]:

а) рабочий режим при межэлектродном зазоре и неподвижном электролите

б) режим прокачки электролита при межэлектродном зазоре и отключенном источнике питания.

Промышленностью выпускаются электрохимические станки для изготовления деталей типа штампов, пресс-форм, обработки отверстий и полостей в деталях из труднообрабатываемых металлов и сплавов [31]. Электрохимическая обработка зубчатых колес по классической схеме не вышла за пределы исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Электрохимическое калибрование (протягивание) зубчатых колес при движении подачи охватывающего электрода-инструмента с зубьями коническо−профилирующей формы в направлении боковой поверхности зубьев с нулевым торцевым зазором в поперечном сечении. Использование указанной схемы обработки с применением пассивирующих режимов электролиза и корректировки профиля зубьев электрода−инструмента с учетом неравномерного распределения плотности тока по профилю может обеспечить точное по форме копирование сложных контуров.

В рассмотренных случаях при эквидистантном расположении электродных поверхностей из-за нестабильности гидродинамического режима (турбулентно−кавитационных явлений) практически невозможно обеспечить высокую точность и стабильные результаты. Для стабилизации процесса анодного растворения был разработан и изготовлен электрод−инструмент с эвольвентным контуром, эквидистантным нормальному контуру зуба зубчатого колеса, изготовленный из титановых микрошариков (гранул), спеченных в водородной печи. Электролит подавался через пористый материал электрода−инструмента и капиллярные отверстия с целью стабилизации гидродинамики потока. Для устойчивой работы по данной схеме требуется тщательная очистка электролита от продуктов анодного растворения, а это не всегда экономически оправдано.

Принцип эквидистантности нашел широкое применение в промышленности для электрохимической зачистки заусенец, полирования впадин и зубозакругления с симметричной и асимметричной формой [12, 15], так как геометрия указанных элементов зубчатых колес не требует высокой точности в сравнении с сопрягаемыми рабочими поверхностями в процессе взаимообкатывания.

Известны исследования по электрохимическому полированию боковых поверхностей зубьев зубчатых колес, прошедших шлифование после термообработки. В работе [13] отмечается, что электрохимическое полирование зубчатых колес из стали 45 повышает их нагрузочную способность на 27%, а число циклов нагружений при равных контактных напряжениях не менее, чем в 2,2 раза. Применение при электролизе плоских или цилиндрических катодов может привести к увеличению погрешности профиля зубьев. Для предотвращения этого предложено использовать комбинированный катод со спицами [10]. Стальные спицы диаметром 0,5 модуля монтируются на кольце по центру впадин зубьев, а участки металла, не подлежащие обработке, изолируются.

Исследование влияния электрохимического полирования на усталостную прочность цементированных зубчатых колес [9] выполнялось при съеме со впадины 70−80мкм. Было установлено, что предел усталости шлифованных колес составил 447 МПа, а после электрохимического полирования он повысился до повысился на 18,5%, долговечность увеличилась примерно 1,5 раза.

Обработанные поверхности прочно удерживают масляную пленку даже в условиях высоких скоростей скольжения и нагрузок. В результате повышается износостойкость трущихся поверхностей и уменьшается склонность их к схватыванию (задирам).

В процессе электрохимического полирования возможно модифицирование зубьев. При создании бочкообразности рабочая часть поверхности зубьев покрывается изолирующим слоем – лаком или хлорвиниловой пленкой. После нанесения диэлектрического покрытия оно частично удаляется в тех местах, с которых подлежит съем металла для осуществления модифицирования в фосфорносернохромовокислом электролите или других. Для улучшения прирабатываемости трущихся поверхностей и предотвращения схватывания сопряженных поверхностей зубчатые колеса обрабатываются глубоким анодным травлением в серной кислоте.

Известны и другие способы электрохимического полирования зубчатых колес. Отличительная особенность их состоит в том что колесо с предварительным кислотно- или щелочеупорном покрытием погружают в электролит в качестве одного из электродов. Затем сцепляют его с шестерней, расположенной вне электролита, и задают принудительное вращение. При обработке зубчатого колеса методом травления зубья эталонной шестерни удаляют (соскабливают) кислостойкое покрытие с рабочих поверхностей зубьев зубчатого колеса в местах, имеющих наибольшие геометрические погрешности. Поверхности зубьев, обнаженные после кислотоупорного покрытия, подвергаются травлению с помощью кислоты. Процесс продолжается до тех пор, пока зубья шестерни не будут полностью обработаны[1].

Электрохимическое полирование улучшает шероховатость поверхности. Оно обычно проводится при невысоких плотностях тока, что в свою очередь обуславливает низкую производительность процесса.

Известные попытки повысить производительность процесса электрохимической обработки зубчатых колес не дали положительных результатов. Использованная в этом случае схема (рис. 6) фактически является разновидностью схемы В.Н. Гусева и Л.А. Рожкова со всеми присущими ей недостатками.

Рис. 6. Схема электрохимической обработки взаимообкатываемых электродных поверхностей с принудительной подачей электролита

Изложенные материалы показывают, что создание эффективного метода электрохимической обработки зубчатых колес является сложной научно-технической проблемой. Такой метод должен обеспечивать, с одной стороны, высокую производительность процесса обработки, а с другой – высокое качество обрабатываемой поверхности, включая точность изготовления. Для разрешения данного противоречия необходимо осуществить стабилизацию процесса электролиза в межэлектродном промежутке, т.е. устранить застойные зоны и турбулентно-кавитационные явления в потоке электролита, обеспечить надежную и равномерную депассивацию анодной поверхности с последующей эвакуацией продуктов анодного растворения.

3. Метод размерной электрохимической обработки при взаимообкатывании электродных поверхностей.

Наиболее близкой по технической сущности к рассматриваемому методу является электрохимическая обработка по схеме на рисунке 6. Основные принципиальные отличия метода размерной электрохимической обработки при взаимообкатывании электродных поверхностей заключаются в следующем:

1) электролит удерживается в межэлектродном капиллярном промежутке силами молекулярного взаимодействия, камера вокруг электродов отсутствует;

2) электролит подается на одну из электродных поверхностей при скорости истечения из сопла, равной окружной скорости взаимообкатываемых электродных поверхностей;

3) эвакуация продуктов анодного растворения осуществляется в абсолютном движении механогидравлическим способом;

4) электрод-инструмент имеет диагональную диэлектрическую проставку; ее перемещение по анодной поверхности осуществляется за счет некратности диаметров инструмента и детали и обеспечивает стабильную механическую депассивацию анодной поверхности;

5) при внутреннем зацеплении электролит в активной зоне электрохимической обработки удерживается электролитным желобом, который образуется впадинами зубьев колеса и кольцами по их боковым поверхностям.

Осуществление обработки при внешнем взаимообкатывании электродных поверхностей 1 и 3 (рис. 7) решено регулируемой подачей электролита 6 в сторону активной зоны электролиза 4 при его истечении из сопла 5 на близлежащий участок электродной поверхности 3. Электролит 6, обладающий смачивающими свойствами, подается в направлении активной зоны электролиза 4 и удерживается как на поверхности электрода 3, так и в межэлектродном промежутке силами молекулярного взаимодействия между электролитом 6 и участками поверхностей электродов 1 и 3, образующими электрохимическую ячейку (т.е. реализовано бесконтейнерное удержание электролита в активной зоне электролиза).

Рис. 7. Принципиальная схема обработки при внешнем сопряжении электродных поверхностей: 1–катод, 2–диэлектрическая проставка, 3–анод, 4–активная зона электролиза, 5–сопло, 6–электролит

Из кинематики устройства, изображенного на рис. 7, следует, что продвижение электролита 6 при регулируемом безнапорном его истечении из сопла 5 осуществляется электродными поверхностями 1 и 3, следовательно, линейная скорость прохождения электролита равна скорости и электродных поверхностей 1 и 3. Этим исключаются турбулентно-кавитационные явления, которые имеют место при электролизе с прокачкой электролита по методу В.Н. Гусева и Л.А. Рожкова.

Механическая депассивация анодной поверхности и эвакуация продуктов анодного растворения из межэлектродного промежутка и электродной поверхности осуществлены винтовой (диагональной) диэлектрической проставкой 2 электрода-инструмента 1, которая одновременно обеспечивает ликвидацию застойных зон на одной поверхности, гарантированный межэлектродный зазор в активной зоне электролиза, а также его изменения в пределах погрешности обрабатываемой заготовки (на величину радиального биения, шероховатостей поверхности и др.) за счет упругих деформаций проставки 2.

При внутреннем сопряжении электродных поверхностей (рис. 8) устойчивый гидродинамический режим обеспечивается подачей во вращающейся желоб 4 электролита 8 при его истечении из сопла 7. Электролит 8 удерживается в активной зоне электролиза 6 центробежной силой на уровне внутреннего диаметра кольца 2, образуя вращающееся электролитное кольцо. Таким образом, обеспечено равенство окружных скоростей в активной зоне электролиза 6 всех элементов электрохимического процесса: электролита 8, электродов 1 и 5 и ограждающих колец 9.

Рис. 8. Принципиальная схема реализации метода при внутреннем сопряжении электродных поверхностей: 1–электрод-инструмент, 2–боковые кольца, 3–зубчатая диэлектрическая проставка, 4–желоб, 5–обрабатываемое зубчатое колесо, 6–активная зона электролиза, 7–сопло, 8–электролит.

Рассмотренные вопросы эвакуации продуктов анодного растворения из активной зоны электролиза, обновления электролита, поддержания межэлектродного зазора при наличии погрешностей заготовки и др. решаются аналогично и в устройстве, представленном на рис. 8.