Электролитно-плазменное полирование сложнопрофильных изделий из алюминиевого сплава Д16

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).

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).

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.

Наилучшие результаты полирования по­лучены при обработке в предложенном элек­тролите на режиме № 2 (см. табл. 2), они пред­ставлены на рис. 3.

Обработанный образец сложнопрофиль­ной поверхности пресс-формы на режиме № 2 (см. табл. 2) представлен на рис. 4.

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 %.