1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
В производстве авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) для получения заготовок таких ответственных деталей, как лопатки роторов компрессора и турбин используется в основном штамповка, как метод, обеспечивающий расположение волокон металла лопаток в направлении действия центробежных сил. Получение лопаток направленной кристаллизацией не исключает калибрующей штамповки, требующей повышенного качества штамповой оснастки.
Стойкость и износ рабочих участков гравюры штампа в значительной степени предопределяется качеством поверхностного слоя, формируемого в процессе термической обработки и на финишных операциях технологического процесса изготовления [1].
Ранее выполненные теоретические и экспериментальные исследования [2] геометрических и физико-механических показателей рабочей поверхности штампа показали их зависимости от методов обработки, технологических параметров и характеристик материалов. На основе этих исследований определен способ финишной обработки, позволяющий приблизить возможность управления эксплуатационными показателями рабочей поверхности штампа. Таким способом является электрохимическая обработка (ЭХО) [3-8].
Проведенные исследования о механизме электрохимического формирования микрорельефа поверхности и влиянии ЭХО на микрогеометрию поверхности штамповых сталей показали возможность использования этого метода в качестве финишной операции при изготовлении ковочных штампов. Но геометрические параметры поверхности не давали полную характеристику ее качества. С целью дальнейшего изучения работоспособности поверхностного слоя штамповых сталей после ЭХО были выполнены исследования физико-механических характеристик в зависимости от параметров режима обработки [3].
2 Материалы и методы
Физическое состояние поверхности характеризуется микротвердостью, растравливанием по границам зерен, структурными изменениями и остаточными напряжениями. Для сравнения свойств поверхностей, подвергнутых ЭХО и механической обработке фрезерованием с последующей обработкой слесарным абразивным инструментом, использовались: в качестве обрабатываемых материалов штамповые стали ЭИ958 (ГОСТ 5950-2000) и 5ХНМ (ГОСТ 5950-2000); в качестве электролита и режимных параметров обработки – 20 % раствор NaNO3, кислотность электролита pH – 8,5, температура электролита – 24,5 0С, давление электролита на входе и выходе – 0,25 МПа и 0,03 МПа соответственно, напряжение – 12,5 В, плотность тока варьировалась в интервале 5-50 А/см2.
Исследовались свойства обрабатываемой поверхности процессами ЭХО: шероховатость, структурные параметры, микротвердость с помощью прибора ПМТ-3 с нагрузкой 50 г. Механические испытания на износ проводились на машине Шкода-Савина в лаборатории ОАО «ЭНИКмаш – В» (г. Воронеж) при нагрузке на ролик 200 Н, числе циклов 8,53·105 и охлаждении 0,5 % раствором K2CrO4 (хромовокислый калий). Износ определяли взвешиванием на аналитических весах Sartorius с точностью 0,0001 г.
3 Результаты исследований
Влияние технологических параметров процессов ЭХО на структуру и микротвердость поверхностного слоя было проведено в сравнении с таковым для случая традиционной механической обработки резанием. Как известно, при обработке резанием металл подвергается силовому и тепловому воздействиям. Но эти воздействия распространяются лишь на поверхностный слой, в котором происходят структурные изменения исходного материала. Схематично поверхностный слой материала, подвергнувшегося обработке резанием [9], показан на рисунке 1, а.
Физика процесса образования поверхности при ЭХО имеет иной характер: отсутствуют силовые и температурные воздействия на обрабатываемую деталь и, следовательно, отсутствуют структурные изменения поверхностного слоя (рис. 1, б) [10]. Исследования, проведенные в металлографической лаборатории АО «Конструкторское бюро химавтоматики» (г. Воронеж), показали, что при ЭХО с плотностью тока 20 А/см2 изменение структуры поверхностного слоя по сравнению с основным металлом не наблюдается [11].
При изучении влияния режимов ЭХО на изменение структуры обработка образцов из стали ЭИ958 производилась при указанных выше прочих параметрах на различных плотностях тока: 5, 10, 20, 30, 40 и 50 А/см2. Исследования показали, что с увеличением плотности тока происходит уменьшение шероховатости, а структурных изменений поверхностного слоя не наблюдалось. Полученные результаты хорошо согласуются с данными, приведенными в работе [12].
а – при обработке резанием, б – при ЭХО; 1 – пленка окисла, 2 – зона максимального
термического воздействия, 3 – пластически деформированная зона; 4 – исходная структура
Рисунок 1 – Структура поверхностного слоя металла и ее отличия от исходной структуры
