Voronezh, Voronezh, Russian Federation
employee
Kursk, Kursk, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
UDK 621.8 Детали машин. Механизмы. Передачи (механические). Подъемнотранспортное оборудование. Крепежные средства. Смазка
The article presents the design of a technology for improving the quality of the surface layer under thermal action on the workpiece. A method is considered that allows achieving a high level of hardening without applying a coating layer to the surface. The results of studies on surface hardening without applying a layer of material are presented.
TECHNOLOGY, FORMING, SURFACE QUALITY, TOOL, HARDENING, STRUCTURE
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Уже достаточно давно известна технология криогенной обработки сталей, применение которой способствует увеличению их твёрдости, износостойкости и прочности, в связи с чем, исследования влияния низких температур на свойства металлов представляют важное значение в контексте современных технологий и инженерных применений [1]. Одним из ключевых аспектов, требующих углублённого рассмотрения, является сдвиг ниже нуля точки окончания мартенситного превращения у легированных и высокоуглеродистых сталей после возвращения к нормальным эксплуатационным условиям. Следует отметить, что повышенное содержание углерода может быть обусловлено как процессом цементации, так и легированием сталей. Процентное содержание углерода и легирующих элементов напрямую влияет на температурные параметры закалки: увеличение содержания углерода выше 1 % и легирующих элементов может привести к снижению температуры около 25-45 °C на каждый процент содержания добавок [1, 2]. Следовательно, определение оптимального баланса между углеродом и легирующими элементами имеет существенное значение для процессов термической обработки металлов. Некоторые виды сталей могут обладать способностью претерпевать полное превращение аустенита в мартенсит при экстремально низких температурах, что также требует дополнительного изучения и понимания механизмов происходящих процессов.
Исследования по воздействию низких температур на металлы имеют значимость не только на практическом уровне, но и в рамках теоретических исследований [2-4]. Глубокое понимание изменений в структуре и свойствах металлов при экстремальных температурах позволяет разрабатывать новые технологии обработки материалов, уникальные сплавы с улучшенными механическими и физическими характеристиками. Дополнительно, анализ воздействия низких температур на металлы актуален в контексте разработки материалов для применения в космической и авиационной индустрии, где металлы подвергаются экстремальным условиям окружающей среды [5-7]. Поэтому системное изучение поведения металлов при низких температурах имеет стратегическое значение для создания высокопрочных и надёжных материалов для различных отраслей промышленности.
Таким образом, исследование фазового состава металлов в криогенном диапазоне температур становится актуальной задачей.
2 Материалы и методы
Применение метода криогенно-эрозионного упрочнения и легирования представляет собой эффективный метод повышения прочности, который не требует нанесения дополнительных защитных покрытий [8-10]. Этот процесс имеет особое значение при обработке медицинских инструментов, где крайне нежелательно наличие мельчайших частиц упрочняющего металла, способных отделиться и попасть в раны пациентов. Кроме того, помимо повышения прочности, данный метод позволяет устранить микродефекты на поверхности, где могут развиваться патогенные микроорганизмы, что особенно важно в медицинской сфере. Исследования показывают, что химические соединения, образующиеся в результате вышеуказанного процесса, образуют прочные связи с материалом детали [11-13], «залечивая» трещины и микродефекты, что позволяет достичь вышеуказанной цели.
В процессе криогенно-эрозионного упрочнения важными этапами являются создание жидкой плёнки на поверхности, включение тока, а также регулирование подачи жидкого газа в начальный момент возникновения импульса тока. Однако следует отметить некоторые недостатки данного метода, такие как затруднения в наблюдении за областью упрочнения и контроле качества поверхностного слоя из-за образования газожидкостной смеси и выведения твёрдых частиц материала с упроченной поверхности, а также значительный расход сжиженного газа [2, 3].
Процесс упрочнения медицинских инструментов с использованием электроэрозионного метода представляет собой сложную и тщательно отлаженную процедуру, требующую точной настройки оборудования и строгого контроля параметров. Настроив установку для электроэрозионного упрочнения с помощью программирования и расположив медицинский инструмент на рабочей поверхности, осуществляется процесс подачи жидкого азота, что позволяет снизить температуру электрода и инструмента до уровня, необходимого для стабильной обработки.
Строго регулируя параметры процесса, такие как сила тока и подача жидкого азота, специалисты обеспечивают безопасность, эффективность и стабильность процесса упрочнения, минимизируя риск повреждения кромки инструмента разрядами. Для предотвращения возможного повреждения кромки инструмента разрядами осуществляют смещение оси электрода-инструмента (ЭИ) в процессе упрочнения, что позволяет равномерно распределять воздействие и минимизировать риск деформации или повреждения режущей кромки [14-16].
Таким образом, тщательное планирование, контроль параметров и проведение соответствующих мероприятий позволяют обеспечить успешное и качественное упрочнение медицинских инструментов с использованием электроэрозионного метода без нежелательных последствий для их функциональности и долговечности.
3 Результаты исследований
Граничным условием для того, чтобы произошло упрочнение обрабатываемой детали без её разрушения является температура обработки (T), которая должна быть больше 1000 К (начало формирования нитрида титана (To)), но меньше температуры плавления (Tпл) материала заготовки [1], которая для стали составляет приблизительно 1700 К, т. е.
То < T < Тпл .
Для упрочнения инструмента при использовании метода электроэрозии возникает опасность повреждения режущей кромки разрядами. Чтобы избежать этого, требуется сдвигать ось ЭИ на определённое расстояние L (рис. 1).
1 – электрод-инструмент; 2 – упрочняемая деталь; 3 – режущая кромка
Рисунок 1 – Схема смещения оси электрода относительно режущей
кромки инструмента
По [1, 17, 18] смещение точки обработки О должно быть равным сумме радиуса ЭИ (R) и среднего арифметического радиусов изотерм, ограничивающих формирование нитрида титана и плавление заготовки (Ro и RT соответственно):
Известно [1, 19, 20], что при соблюдении условий, когда температура окружающей среды совпадает с температурой жидкого азота, достигается результат, показанный в формулах:
, (2)
, (3)
где К ‒ коэффициент, учитывающий перераспределение энергии между электродом и заготовкой, для случая с жидким азотом К = 0,28...0,33; С3 – теплоёмкость материала, Дж/(кг·К);
Q ‒ безразмерный коэффициент, учитывающий свойства материала электрода и длительность импульса:
где Fо - критерий Фурье, определяемый по выражению:
где tu – время протекания электрического разряда, с;
R ‒ текущий радиус, мм, который равен радиусам изотерм (2) и (3) для выражений (4) и (5); 
- теплопроводность материала электрода, Дж/(c.мм);
hи – КПД импульса, определяется по выражению:
К1, К2, К3, К4 ‒ коэффициенты потерь энергии.
Расчёты показывают, что hи = 0,28 ... 0,3, что в 1,5 раза ниже, чем при электроэрозионной обработке (ЭЭО) в среде керосина;
Энергия импульса Аи для генераторов, работающих по RC-схеме, Дж:
где С ‒ ёмкость конденсаторов, мкФ; U ‒ напряжение пробоя между ЭИ и обрабатываемой поверхностью, В.
Таким образом, становится возможным определить расстояние, определяющее положение ЭИ относительно зоны обработки, что позволяет обеспечить необходимое качество процесса.
Для обработки криогенно-эрозионным способом применяют ЭИ в виде иглы или проволоки со скруглением рабочей части D. Пример конструкции такого инструмента приведён на рис. 2.
Известно [21], что величину износа ЭИ можно оценить, как отношение уменьшения его массы или объёма к времени обработки. Объем, в свою очередь, по [22] можно оценить зависимостью:
где H ‒ высота профильной части ЭИ (см. рис. 2), мм.
Объем нанесённого покрытия можно оценить как произведение ширины слоя b на толщину h и его длину l:
при этом
Рисунок 2 – Форма электрода-инструмента
Для постоянной скорости обработки V её время τ вычисляется по формуле, с:
Чтобы определить диаметр проволоки для обработки в воздушной среде, необходимо из формулы (8) выразить D и подставить туда значения из формул (10) и (11):
Опытным путём было установлено, что износ ЭИ в среде жидкого азота снижается в 4 раза по сравнению с обработкой в воздушной среде. Тогда формулу (12) можно скорректировать для криогенно-эрозионной обработки:
Значения b и h определяются путём эксперимента, V и t рассчитываются. В результате оптимальные параметры рабочей части ЭИ определяются соотношениями:
D = (0,1 … 0,12) H или H = (10 … 12) D. (14)
Формула (14) применяется при первичной обработке режущей кромки, где поддержание оптимальной геометрии ЭИ является необходимым для предотвращения повреждений кромки.
По экспериментальным данным была построена номограмма, которая позволяет управлять процессом криогенно-эрозионного упрочнения (рис. 3).
1, 2 ‒ энергия импульса Аи при U = 80 и 100 В;
3 ‒ граница формирования нитрида титана; 4 ‒ граница устойчивого процесса
Рисунок 3 – Режимы криогенно- эрозионной обработки стали Р9
с использованием многоконтурного генератора
Таким образом, подбирая требуемое значение энергии импульса, можно достигнуть оптимального соотношения производительности и качества обрабатываемой поверхности.
4 Обсуждение и заключение
Упрочнение кромки режущих инструментов в медицинской технике привело к значительному прогрессу в развитии этой технологии, продемонстрировав положительные результаты. Чтобы провести эксперимент отобрали четыре скальпеля из партии, каждый из которых пронумеровали от 1 до 4. Два из них подвергли процессу упрочнения с использованием титанового сплава ОТ4-1 в сфере жидкого азота. Режим обработки включал в себя: ток примерно 0,2 А, подачу до 30 мм/с и расход жидкого азота примерно 0,2 л/мин.
Результаты исследований показали существенное увеличение долговечности режущих кромок между заточками благодаря процедуре упрочнения.
Скальпель передали в медицинское учреждение для фактического использования в ходе операций. В процессе циклов многократной стерилизации, которые сопровождались изучением состояния инструментов, были выявлены существенные различия между упрочнёнными и неупрочненными образцами.
Результат люминесцентного контроля показал, что после проведения 10 циклов стерилизации количество и распространение микротрещин на неупрочненном скальпеле значительно возросли с образованием дефектов на его режущей части. В то же время упрочнённый скальпель не демонстрировал наличие микротрещин или признаков затупления, а также не претерпевал изменений во внешнем виде или характеристиках режущей части в процессе стерилизации.
Долгосрочные испытания подтвердили более чем десятикратное увеличение эффективности после процедуры упрочнения. Полученные результаты исследования подтвердили не только эффективность, но и экономическую обоснованность использования данного метода в медицинской практике.
1. Technologist's Handbook (reference edition) / ed. Suslova A.G. // M.: Innovative mechanical engineering, 2019. 800 p.
2. Smolentsev E.V. Design of electrical and combined processing methods M.: Mechanical en-gineering, 2005 - 511 p.
3. Electrophysical and electrochemical methods of materials processing: In 2 volumes/ Edited by V.P. Smolentsev. M.: Higher School, 1983.
4. Combined processing methods / V.P. Smolentsev, A.I. Boldyrev, A.V. Kuzovkin, G.P. Smo-lentsev, A.I.Chasovskikh. Voronezh: VSTU, 1996. 168 p.
5. Smolentsev V.P. The influence of electrochemical dimensional processing on the physical and mechanical characteristics of metals // Electrochemical processing of metals. Collection of scien-tific articles Chisinau: "Stiinza", 1972.
6. Sulima A.M. Surface layer quality and fatigue strength of parts made of heat-resistant and ti-tanium alloys / A.M. Sulima, M.I. Evstigneev. M.: Mashinostroenie, 1974.
7. State and prospects of development of combined processing methods / Smolentsev V.P., Smolentsev E.V. //Bulletin of the Rybinsk State Aviation Technological Academy named after P.A. Solovyov. 2017. No. 2 (41). pp. 5-9.
8. Ablyaz T.R. Study of changes in the properties of electrodes depending on the modes of wire-cut electroerosion treatment // Bulletin of PSTU. Mechanical engineering, materials science. - 2011. - Vol. 13. -No. 1. - pp. 87-93.
9. Ablyaz T.P., Shlykov E.C., Kremlev S.S. Application of coated tool electrodes for electro-erosion treatment of 38X2N2MA steel // STIN. - 2017. - No. 5. - pp. 20 -21
10. Empirical modeling of interelectrode flow during electroerosion treatment of 38X2N2MA steel / T.N., Balyas, E.S. Shlykov, D.A. Borisov, A.A. Shumkov, I.Yu.// Bulletin of Perm National Re-search Polytechnic University. Mechanical engineering, materials science. - 2017. - Vol. 19, No. 2. - pp. 67-79.
11. Kutz V.V. Investigation of the process of obtaining holes with a hollow electrode on a modernized electroerosion CNC machine / V.V. Kutz, M.S. Razumov, D.A. Zubkov, A.S. Byshkin, A.A. Nestruev // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2020. No. 3. pp. 395-402.
12. Science-based technologies creation based on combined processing methods for fabrication aerospace filters / A.Yu. Ryazantsev, A.A. Shirokozhukhova, V.G. Gritsyuk// Materials Today: Pro-ceedings, 19 (2019), 2065-2067 DOI:https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.075
13. Innovative Methods For Obtainig Artificial Roughness On The Surfaces Of Heat-Loaded Parts Of The Liquid Rocket Engines Combustion Chamber / A.Yu. Ryazantsev, A.A. Shirokozhu-khova, Yukhnevich S.S. // AIP Conference Proceedings 2318, 030004 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0035987
14. Micro electrical discharge machining single discharge temperature field simulation / Z.L. Peng, Y.N. Li, D. Fang, Y.Y. Zhang. - USA: JCPRC5, 2013. - P. 859-864.
15. Jiajing Tang, Xiaodong Yang. A Thermo-hydraulic Mod¬eling for the Formation Process of the Discharge Crater in EDM // 18th CIRP Conference ISEM XVIII. - 2016. - № 42. - P. 685-690.
16. Obara H. Detection of Discharging Position on WEDM // Proceedings of 10th ISEM, 1992 - p. 404-409.
17. Umang Maradia. Meso-Micro EDM: diss. Dr. sc. ETH Zurich No. 22024. - Zurich, 2014. - 246 p.
18. Matthias Hackert-Oschatzchen. Single Discharge Simula¬tions of Needle Pulses for Electro-thermal Ablation. - Rotterdam: COMSOL Conference, 2013. - P. 1-5.
19. Weingartner E., Kuster F., Wegener K. Modeling and sim¬ulation of electrical discharge ma-chining // 1st CIRP Global Web Conference. - 2012. - № 2. - P. 74-78.
20. Chander Parkash Khatter Analysis of surface integrity in electrical discharge machining (EDM) process for tungsten carbide material: dis. Ph. D. - Patiala, India, 2010.
21. Kirillov, O. The technology of combined processing of extruded materials / O. Kirillov, V. Smolentsev, S. Yukhnevich // MATEC Web of Conferences : 2018 International Conference on Mod-ern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment, ICMTMTE 2018, Sevastopol, 10–14 September 2018. – Sevastopol: EDP Sciences, 2018. – P. 01004. – DOIhttps://doi.org/10.1051/matecconf/201822401004. – EDN BYTCJA.
22. Yukhnevich, S. Provision of performance parameters of the product made from extruded materials by means of technological methods of combined processing / S. Yukhnevich, O. Kirillov, E. Kotukov // Materials Today: Proceedings : International Conference on Modern Trends in Manufactur-ing Technologies and Equipment, ICMTMTE 2019, Sevastopol, 09–13 September 2019. Vol. 19. – Sevastopol: Elsevier Ltd, 2019. – P. 2382-2384. – DOIhttps://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.08.039. – EDN JPJX-TU.
