Перейти к:
Электролитно-плазменное полирование сложнопрофильных изделий из алюминиевого сплава Д16
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-83-87
Аннотация
Ключевые слова
Для цитирования:
Захаров С.В., Коротких М.Т. Электролитно-плазменное полирование сложнопрофильных изделий из алюминиевого сплава Д16. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(3):83-87. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-83-87
For citation:
Zakharov S.V., Korotkikh M.T. Electrolytic plasma processing of complex products from aluminum alloy D16. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(3):83-87. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-83-87
Полирование штампов и пресс-форм для обработки давлением - крайне актуальная проблема в машиностроении на сегодня. Требования к качеству поверхностного слоя штампов и пресс-формы высоки, и достичь такого качества невозможно без больших энергозатрат. Как правило, штампы и пресс-формы имеют сложный профиль формообразующей поверхности, к тому же могут подвергаться термообработке. Кроме того, машиностроительный парк современных предприятий по производству штампов и пресс-форм позволяет получать поверхности любой сложности, однако при обработке резанием не достигается требуемая шероховатость.
Одним из производительных методов отделочной обработки поверхностей является электролитно-плазменное полирование (ЭПП). Электролитно-плазменная обработка (ЭПО) применяется в промышленности с 1980-х гг Электролитно-плазменное полирование позволяет обрабатывать металлические изделия с целью снижения шероховатости поверхности, оксидирования, очистки, снятия заусенцев, обезжиривания, удаления ранее нанесенных покрытий, подготовки поверхности под покрытия. Основными преимуществами этого метода, по сравнению с ранее известными, являются:
- быстрота полирования или оксидирования (2...5 мин), снятия заусенцев (менее 1 мин);
- отсутствие абразивного шаржирования поверхности изделия;
- меньшее загрязнение окружающей среды;
- высокая экологичность;
- низкая себестоимость реализации метода.
Метод ЭПП применяется в промышленности при погружении изделия 1 в раствор электролита 3 (рис. 1, а), находящегося в ванне 2, и при воздействии на изделие струи электролита 6 (рис. 1, б). В обоих случаях заготовка является анодом. В первом случае катодом является ванна 2, во втором - сопло 5 или специальный электрод, находящийся в электрическом контакте со струей электролита. Для процессов электролитно-плазменной обработки характерно образование пароплазменной прослойки 4 между электролитом и обрабатываемым изделием. Процесс характеризуется высоким (200.1000 В) напряжением между электродами и применяемым обычно подогревом электролита до температуры, близкой к температуре кипения (70.90° С).
Рис. 1. Схемы электролитно-плазменной обработки: V - вектор скорости потока жидкости
В связи с тем что автоматическое полирование на какой-либо машине или автомате применимо лишь в узком технологическом диапазоне, подавляющее большинство операций полирования пресс-форм до сих пор выполняются вручную, что не отвечает требованиям современного машиностроительного производства. Временные затраты на производство пресс-формы составляют: фрезерование - 45 %, полирование - 55 %.
Одним из наиболее перспективных методов финишной обработки поверхностей является метод ЭПП, позволяющий с высокой скоростью обрабатывать сложнопрофильные поверхности, к которым предъявляются особые требования по шероховатости.
Данный метод успешно применяется в случаях [1], когда:
- затруднена финишная обработка поверхности со сложной геометрией (пресс- формы);
- требуется гомогенный поверхностный слой (без внедрившихся абразивных частиц);
- требуются высокие декоративные свойства (зеркальный блеск).
- необходимо удалить цвета побежалости с поверхности (декоративные качества).
Теоретически методом ЭПП можно обрабатывать любые токопроводящие металлы, но в данный момент метод применяется в основном для обработки хромоникелевых сталей. Такое положение сложилось ввиду массового использования этих сталей во многих сферах производства, а также в связи с тем, что к качеству поверхности деталей из этих сплавов часто предъявляются высокие требования. Стоит отметить и обширные исследования по ЭПП углеродистых сталей, которые позволяют применять этот метод при финишной обработке стальных штампов и пресс-форм.
В то же время при изготовлении пластмассовых изделий широко применяются пресс-формы из алюминиевых сплавов, к качеству формообразующих поверхностей которых предъявляются высокие требования.
Алюминий и его сплавы имеют меньшую твердость, что позволяет эффективно обрабатывать их резанием. Это обусловливает возрастающий интерес промышленности к данному материалу, но из-за низкой твердости увеличивается трудоемкость и снижается производительность его финишной обработки. При полировании абразивными пастами наблюдается внедрение частиц в поверхностный слой, что значительно ухудшает эксплуатационные свойства поверхности.
При обработке алюминиевых сплавов методом ЭПП наблюдается эффект травления поверхности при нахождении заготовки в растворе электролита. После обработки поверхности травление ухудшает чистоту обработанной поверхности, а также уменьшает отражающую способность поверхности (блеск). Это связано с высокой активностью металла.
Цель проводимого исследования - подбор электролита для ЭПП алюминиевого сплава Д16, обеспечивающего эффективное полирование, имеющего наибольший ресурс и лишенного эффекта травления поверхностного слоя, а также определение рациональных условий проведения процесса для получения требуемой шероховатости внутренней поверхности пресс-форм (Ra = 0,2 мкм). Исследование проводилось на лабораторной установке УЭПП-100, диапазон регулирования напряжения 150...350 В, номинальная мощность 100 кВт, батарея конденсаторов 350 мкФ.
В научной литературе методика формирования состава электролита для ЭПП того или иного материала не рассматривается, а вся имеющаяся информация на эту тему является эмпирической. Проанализированные в статье [2] известные растворы, режимы и результаты не описывают общей картины, поэтому было принято решение проверить различные соли (табл. 1), рекомендованные в работах [1, 2], на известных рабочих режимах (U = 300 В) для получения статистических данных при ЭПП алюминия.
Оказалось, что полирование сплава Д16 происходит только в растворе NaNO3. В остальных случаях наблюдается травление, покрытие или протекание реакции отсутствует полностью (см. табл. 1).
Таблица 1
Влияние соли в составе электролита
Соль | Концентрация компонента C, % | Время обработки T, мин | Результат |
---|---|---|---|
LiF | 3 | 3 | Черное покрытие |
NaF | 3 | 3 | Белое покрытие |
CaF | 2 | 3 | Отсутствует |
NaHCO2 | 2 | 2 | Травление, серое покрытие |
NaOH | 2 | 3 | Травление, эрозия |
Na3C6H5O7 | 3 | 3 | Отсутствует |
Трилон Б | 2 | 5 | Травление, коричневое покрытие на впадинах |
Трилон Б | 4 | 2 | Травление, коричневое покрытие, краевые эффекты |
NaNO3 | 2 | 4 | Съем материала, блеск |
NaNO3 | 4 | 4 | Съем материала |
NH4NO3 | 2 | 3 | Белое покрытие |
Na2S2O3 | 2 | 3 | Серое покрытие |
Na2S2O3 | 4 | 3 | То же |
Na2SO3 | 2 | 5 | Белое покрытие |
Na2SO3 | 4 | 3 | Серое покрытие |
(NH4)2SO4 | 2 | 4 | Белое покрытие |
(NH4)2SO4 | 4 | 2 | То же |
Na3PO4 | 2 | 4 | То же |
Na3PO4 | 4 | 7 | То же |
При сравнении результатов с таблицей растворимостей определено, что растворимые соли (25° С) алюминия могут создавать и хлориды (451 г/л), и нитраты (689 г/л), и сульфаты (385 г/л). Таким образом, была выявлена возможность применения нитратов в качестве альтернативных солей для ЭПП алюминиевого сплава Д16 с большим ресурсом работы раствора.
Покрытия, возникающие в процессе обработки растворами сульфатов, вероятно, образуются в результате разложения сульфата алюминия под действием температуры:
Как видно из рис. 2 [3], NaCl обладает самой большой химической активностью, что является одной из причин травления поверхности. Для снижения активности раствора электролита предложено применение KNO3.

В научной литературе описаны двухкомпонентные растворы для ЭПП алюминиевого сплава Д16 [1, 4]. При применении нитратов в качестве электролита вторым компонентом раствора является щавелевая кислота (COOH)2. Ее применение также вызывает травление алюминия, в статье [2] и предложено применение лимонной кислоты C6H8O7.
Для улучшения смачивания поверхности и равномерности обработки [5] в гальванике используются двухатомные (холодные процессы) и трехатомные (горячие процессы) спирты. Поскольку ЭПП является горячим процессом, был применен глицерин (C3H8O3). На основании этого был составлен новый состав раствора (KNO3 2-5 %; C6H8O7 0,5-3 %; C3H8O3 0,5-2 %; остальное - вода), который был апробирован на разных режимах в различных концентрациях. Результаты, удовлетворяющие требованиям, сведены в табл. 2.
Таблица 2
Режимы обработки и результат ЭПП алюминиевого сплава Д16 с применением нового раствора
№ режима | Исходная шероховатость Ra, мкм | Полученная шероховатость Ra, мкм | Напряжение, В | Концентрация KNO3, % | Концентрация C6H8O7, % | Концентрация C3H8O3, % |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0,953 | 0,168 | 280 | 5 | 3 | 1,0 |
2 | 1,137 | 0,189 | 320 | 5 | 3 | 1,0 |
3 | 1,132 | 0,210 | 300 | 4 | 2 | 0,5 |
Наилучшие результаты полирования получены при обработке в предложенном электролите на режиме № 2 (см. табл. 2), они представлены на рис. 3.
Рис. 3. Вид поверхности после обработки на режимах № 1 (а) и № 2 (б)
Обработанный образец сложнопрофильной поверхности пресс-формы на режиме № 2 (см. табл. 2) представлен на рис. 4.
Рис. 4. Обработанный образец с исходной шероховатостью на участках:
1 - Ra 1,8 мкм; 2 - Ra 1,3 мкм; 3 - Ra 0,7 мкм; 4 - Ra 0,2 мкм
В результате была разработана методика определения и оценки возможных компонентов раствора электролита для ЭПП, а также новый состав раствора электролита, имеющий минимальную активность и исключающий травление поверхностного слоя при погружении в него изделий из алюминиевого сплава Д16.
Предложенный состав имеет больший ресурс работы по сравнению с представленными в научной литературе и не требует частых замен.
Определены рациональные режимы обработки деталей из алюминиевого сплава Д16. Для получения требуемой при изготовлении пресс-форм шероховатости поверхности (Ra = 0,2 мкм) после обработки методом ЭПП за один цикл (120 с) рационально использование следующих технологических параметров: исходная шероховатость не более Ra = 1,2 мкм, напряжение U = 280.320 В; концентрация нитрата калия KNO3 4-5 %; концентрация лимонной кислоты C6H8O7 2-3 %; концентрация глицерина C3H8O3 0,5-1 %.
Список литературы
1. Куликов И.С., Ващенко С.В., Каменев А.Я. Электролитно-плазменная обработка материалов. Минск: Беларусская навука, 2010. 232 с.
2. Захаров С.В., Коротких М.Т. Совершенствование технологии электролитно-плазменного полирования алюминиевого сплава Д16. Неделя науки СПбПУ, Санкт-Петербург, 14-19 ноября 2016. С. 162-165.
3. Краткий справочник физико-химических величин. Изд. 8-е, перераб. / Под ред. А.А. Равделя, А.М. Пономарёвой. Л.: Химия, 1983. 232 с.
4. Патент РБ № 7291. Электролит для плазменно-электролитного полирования изделий из алюминия и его сплавов / И.С. Куликов, А.Я. Каменев, В.Л. Ермаков, С.В. Ващенко, Л.А. Климова. Опубл. 30.09.2005. 4 с.
5. Грилихес С.Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов. Л.: Машиностроение, 1977. С. 113.
Об авторах
С. В. ЗахаровРоссия
М. Т. Коротких
Россия
Рецензия
Для цитирования:
Захаров С.В., Коротких М.Т. Электролитно-плазменное полирование сложнопрофильных изделий из алюминиевого сплава Д16. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(3):83-87. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-83-87
For citation:
Zakharov S.V., Korotkikh M.T. Electrolytic plasma processing of complex products from aluminum alloy D16. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(3):83-87. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-83-87