2
Электроимпульсное упрочнение
поверхности металла
Конструктивно-технологическая и электрическая схемы установки.
Пояснительная записка и графическая часть.
Проектный вариант: электроискровое легирование стали 45 твердосплавным
электродом.
Содержание
Введение ............................................................................................................................... 3
1. Физическая сущность процесса ...................................................................................... 4
2. Исходные данные и проектные требования .................................................................. 5
3. Конструктивно-технологическая схема......................................................................... 6
4. Технология упрочнения поверхности ............................................................................ 8
5. Электрическая схема установки ..................................................................................... 9
6. Расчёт разрядного импульса ......................................................................................... 11
7. Зарядная цепь и выбор элементов ................................................................................ 13
8. Подача и производительность ...................................................................................... 14
9. Тепловая оценка и разряд накопителя ......................................................................... 15
10. Контроль качества и проверка результата ................................................................ 16
11. Эксплуатация и защитные меры................................................................................. 17
Заключение ......................................................................................................................... 18
Список использованных источников ............................................................................... 19
Графическая часть ............................................................................................................. 20
Лист Г1. Компоновка и технологические связи ........................................................................................ 20
Лист Г2. Рабочая головка и формирование слоя ....................................................................................... 21
Лист Г3. Электрическая схема установки .................................................................................................. 22
Лист Г4. Импульсный цикл и режим обработки ....................................................................................... 23
3
Введение
Поверхностный слой детали воспринимает контактные нагрузки, трение и
воздействие рабочей среды. Износ этого слоя может ограничивать ресурс всего
изделия, хотя его сердцевина сохраняет достаточную прочность. Поэтому
представляет интерес локальная обработка, при которой изменяются состав и
структура поверхности без обязательного нагрева всей детали до температуры
термической обработки.
Термин «электроимпульсное упрочнение» охватывает несколько
способов воздействия электрическими импульсами. В настоящей работе
предложен конкретный вариант — электроискровое легирование, далее ЭИЛ.
Импульсный разряд развивается между расходуемым электродом-анодом и
обрабатываемой деталью-катодом. На поверхности формируется слой,
содержащий материал электрода, продукты его взаимодействия с основой и
быстро затвердевший металл.
Цель работы — разработать согласованные конструктивно-
технологическую и электрическую схемы малогабаритной установки для
упрочнения плоских участков стальных деталей. Требуется объяснить
механизм воздействия, показать устройство рабочего органа, определить
параметры импульса, оценить темп обработки и предложить контроль
получаемого слоя.
В качестве примера выбрана пластина из стали 45 размером 50 × 50 × 10
мм с рабочим участком 40 × 40 мм. Электрод — стержень из твёрдого сплава
ВК8 диаметром 3 мм. Эти данные являются исходными допущениями проекта:
конкретные марка стали, состояние её термообработки и требования к износу в
задании не установлены.
Работа имеет характер технического предложения. Расчёт подтверждает
согласованность выбранных электрических и кинематических параметров.
Толщина, твёрдость, сплошность и износостойкость слоя должны определяться
на образцах. Числа, полученные в исследованиях с другими материалами, не
принимаются за результаты испытаний предлагаемой установки.
Графическая часть содержит четыре листа: общую компоновку, разрез
рабочей головки и схему формирования слоя, электрическую схему, временные
диаграммы и технологический цикл. Размеры на рисунках являются эскизными;
рабочие чертежи и подбор серийных комплектующих выполняются после
испытаний.
4
1. Физическая сущность процесса
1.1. Разряд и перенос материала
При сближении вибрирующего электрода с деталью ток сначала может
проходить через микроконтакт неровностей. Локальный нагрев и разрушение
такого контакта создают условия для образования короткого разряда.
Напряжение 80 В в рассматриваемой схеме не предназначено для пробоя
свободного воздушного промежутка размером в миллиметры.
В зоне разряда выделяется энергия, вызывающая локальное плавление и
эрозию электрода и основы. Часть материала электрода переносится на деталь,
смешивается с поверхностным металлом и затвердевает. Исследование [1]
рассматривает образование легированного слоя как результат взаимосвязанных
процессов эрозии, переноса и взаимодействия электродных материалов.
Поэтому положительная полярность инструмента сама по себе ещё не
гарантирует полезный прирост покрытия: необходимо подобрать сочетание
материалов и режим.
Для выбранного электрода ВК8 источником упрочняющих компонентов
служат карбид вольфрама и связующая металлическая фаза. При разряде состав
исходного сплава может изменяться: возможны растворение карбидов, их
превращения и смешение с железной основой. Нельзя считать покрытие точной
копией химического состава стержня.
1.2. Причины изменения свойств
Упрочнение связывают с присутствием твёрдых фаз, изменением состава
поверхностного сплава и образованием мелкой структуры при быстром
теплоотводе в основу. Изменение микротвёрдости оценивает сопротивление
локальному вдавливанию; износостойкость дополнительно зависит от
сцепления слоя, его пористости, трещин, шероховатости и условий трения.
В работе [2] на стали 45 покрытия наносили электродами TiC–Ni–Mo с
добавкой датолита. Для исследованных составов сообщается микротвёрдость в
2–3 раза выше основы при длительности импульсов 20–80 мкс и энергии 0,144–
0,72 Дж. Это экспериментальный пример эффективности ЭИЛ, а не прогноз для
выбранного здесь ВК8 и другого импульсного генератора.
Повторные воздействия частично перекрывают отдельные следы.
Недостаточная доза оставляет необработанные места; чрезмерная способствует
перегреву, росту шероховатости и разрушению уже сформированного слоя.
Следовательно, повышение энергии и числа проходов не является безусловным
улучшением процесса.
5
2. Исходные данные и проектные требования
Параметр
Принятое значение
Деталь; участок обработки
Сталь 45; 50 × 50 × 10 мм; участок 40 × 40 мм
Электрод; полярность
ВК8, Ø3 мм; инструмент «+», деталь «−»
Рабочая среда
Местная подача аргона, исходная настройка 4 л/мин
Накопитель C1; напряжение U₀
50 мкФ; 80 В
Частота разрешённых импульсов
f
100 Гц, не более одного импульса за цикл
Разрядная цепь
LΣ = 20 мкГн; RΣ = 0,75 Ом
Ход вибратора
0,20 мм от крайнего до крайнего положения
Подача; шаг строк; проходы
5 мм/с; 0,20 мм; 2 взаимно перпендикулярных прохода
Целевой слой после доводки
10–30 мкм; значение проверяется на шлифе
Частота 100 Гц относится к разрешению разрядов, а не к
гарантированному числу нормальных разрядов. При отсутствии контакта,
неполном заряде или неисправности команда пропускается. Счётчик полезных
импульсов нужен для контроля фактической дозы.
Аргон подают через сопло вокруг инструмента, чтобы уменьшить
взаимодействие разогретого материала с окружающим воздухом. Расход 4
л/мин выбран для начальной наладки. Защитное действие проверяют по
качеству слоя: оно зависит от диаметра сопла, расстояния до поверхности и
влияния вытяжки. Расход не является универсальным нормативом.
Для опытного образца задаются проверяемые цели: отсутствие
отслоений; отсутствие сквозной сетки трещин на исследованных шлифах;
микротвёрдость слоя не ниже 1,5 микротвёрдости исходной поверхности при
сопоставимой нагрузке; сохранение геометрии детали. Это критерии
разработки, а не заявленные характеристики готового оборудования.
При небольшой толщине слоя отпечаток микротвёрдости не должен
существенно захватывать основу. Нагрузку и расположение отпечатков
выбирают по фактической толщине; результат обязательно приводят вместе с
условиями измерения.
6
3. Конструктивно-технологическая схема
3.1. Общая компоновка
Установка выполнена настольной, с ориентировочным габаритом
рабочего модуля 650 × 500 × 700 мм. На жёстком основании закреплены
координатный стол X–Y и стойка с кареткой Z. Каретка несёт вибрационную
электродную головку. Электронный генератор размещён в отдельном отсеке,
отделённом от зоны искрения металлической перегородкой.
Деталь прижимают к сменной медной теплоотводящей плите
механическими прихватами. Плита установлена на электрически изолирующих
опорах; боковые поверхности и токоведущие соединения закрыты. Рабочий ток
возвращается к генератору отдельным коротким проводником от плиты либо
зажима детали. Через направляющие, подшипники и защитный проводник PE
технологический ток проходить не должен.
Стол перемещает деталь под электродом по параллельным строкам. В
конце строки импульсы запрещаются, электрод поднимается, выполняется
поперечный шаг и заход на следующую строку. При втором проходе
направление сканирования поворачивают на 90°. Такая схема позволяет
задавать дозу через частоту, скорость, шаг и число проходов.
Каретка Z обеспечивает установочный подъём на 60 мм и медленную
коррекцию среднего положения головки по сигналам состояния разряда.
Быстрое возвратно-поступательное движение создаёт собственный
электромагнитный привод головки. Разделение медленной подачи и быстрой
вибрации уменьшает требования к винтовому механизму Z.
Сопло аргона размещено коаксиально стержню. Вытяжной патрубок
располагается сбоку и выше зоны обработки; его положение выбирают так,
чтобы улавливать аэрозоль, не срывая защитную струю. Подача газа
включается до разрешения разрядов. Рабочая камера оборудована экраном от
искр и блокируемой дверью.
Лист Г1 показывает основание, направляющие, привод подачи, головку,
токоподводы, газовую и вытяжную линии. На нём же выделены
технологические потоки: электрическая энергия, расходуемый электрод, газ,
деталь и удаляемые продукты обработки.
3.2. Обслуживание
Доступ к цанге и детали осуществляется после отключения импульсов и
разряда накопителя. Электрод заменяют при недостаточном вылете либо
неустранимом нарушении формы торца. Контактные поверхности зажимов
очищают; гибкую перемычку осматривают на обрыв жил и следы перегрева.
7
3.3. Рабочая головка и контактный узел
Корпус головки крепится к каретке Z через регулируемый кронштейн. В
корпусе находятся катушка электромагнитного привода и подвижный якорь.
Две параллельные листовые пружины направляют якорь вдоль оси инструмента
и ограничивают его поворот. Подшипников скольжения непосредственно в зоне
мелкой вибрации не предусматривается.
В якоре закреплена изолирующая втулка с металлической цангой. Цанга
зажимает стержень ВК8 диаметром 3 мм; начальный вылет стержня
принимается 15 мм. Импульсный ток поступает на цангу через гибкую медную
плетёнку, которая не должна передавать значительное усилие на якорь.
Катушка вибратора питается от отдельной цепи 24 В и электрически не
включена в контур разряда.
Вокруг стержня устанавливается сменный керамический наконечник
газового сопла с центральным отверстием 6 мм. Между стержнем и стенкой
отверстия остаётся кольцевой канал. Нижний торец сопла располагают
ориентировочно на 3 мм выше поверхности детали; положение регулируют.
Это расстояние относится к соплу, а не к разрядному промежутку.
Датчик перемещения определяет фазу вибрации. Для разрешения разряда
дополнительно используется изолированная цепь контроля микроконтакта с
ограниченным измерительным током. Согласование этих двух сигналов
исключает попытку возбуждать разряд при заведомо удалённом электроде.
Измерительная цепь отделяется от силовой и защищается от импульсного
перенапряжения.
Среднее положение Z выбирают так, чтобы торец кратковременно
касался поверхности без заметного вдавливания. Для наладки задаётся
ориентир среднего усилия контакта не более 1 Н. Фактическую контактную
нагрузку определяют датчиком либо контрольным стендом. Вибратор не
предназначен для ударного механического наклёпа поверхности.
3.4. Предварительная проверка вибропривода
При ходе 0,20 мм амплитуда A = 0,10 мм. Для подвижной массы 0,05 кг и
частоты 100 Гц оценка максимальной инерционной силы имеет вид:
(1)
Предусматривается привод с амплитудой усилия не менее 5 Н в рабочем
диапазоне хода. Запас относится к инерции, упругости подвеса и потерям.
Динамическая жёсткость пружин, собственные частоты и усталостная
прочность проверяются при изготовлении головки; резонансный режим здесь
не предполагается.
8
4. Технология упрочнения поверхности
Операция
Содержание и контролируемое условие
Подготовка
Удалить загрязнения и оксиды; обезжирить, высушить; измерить
исходную шероховатость и твёрдость.
Закрепление
Установить на теплоотводящую плиту; присоединить отдельный
рабочий возврат; проверить устойчивость зажима.
Настройка
Проверить вылет электрода, ход 0,20 мм и фазу; включить газ и
вытяжку; вывести Z в рабочее положение.
Пробный участок
Проверить форму i(t), u(t), отсутствие длительного замыкания;
оценить поверхность контрольного образца.
Основная
обработка
U₀ = 80 В; f ≤ 100 Гц; v = 5 мм/с; шаг 0,20 мм; два перекрёстных
прохода.
Межпроходный
контроль
Удалить рыхлые частицы, осмотреть торец электрода, проверить
температуру и долю нормальных разрядов.
Завершение
Запретить импульсы; отвести головку; отключить заряд; разрядить
C1; очистить и проконтролировать деталь.
Начальные режимы уточняют на технологическом образце той же марки
стали и с тем же состоянием основы. Применять сразу максимальную энергию
на ответственной детали нецелесообразно: сначала определяют сочетание,
обеспечивающее полезный перенос материала и достаточную сплошность.
При переходе между строками генерация выключается. Если доля
нормальных импульсов уменьшается, контроллер корректирует Z в пределах
допустимого окна. При повторных жёстких коротких замыканиях головка
отводится, автоматическое продолжение блокируется до устранения причины.
При необходимости поверхность доводят лёгким полированием или иной
согласованной операцией, удаляющей только выступающие неровности.
Припуск назначают после измерения толщины, чтобы не снять рабочий слой.
Конечное состояние оценивают после доводки, а не только непосредственно
после искрового воздействия.
Схема на листе Г2 связывает отдельный разряд с образованием слоя, а
лист Г4 — последовательность операций с временными параметрами
генератора. Приведённая технология предназначена для локальной обработки
небольших доступных площадок; сложные криволинейные поверхности
требуют другой траектории и системы позиционирования.
9
5. Электрическая схема установки
5.1. Силовая часть
Сеть 230 В, 50 Гц подключается через вводной выключатель QF1 и
контактор KM1 к изолированному источнику A2 с выходом 100 В постоянного
тока. Вспомогательный источник A3 питает контроллер, приводы и цепи
управления напряжением 24 В. Оболочки, основание и ограждение соединены с
PE независимо от рабочего возврата.
Конденсатор C1 заряжается от A2 через зарядный ключ VT1 и резистор
Rch. VT1 представляет собой управляемый узел с блокированием обратного
тока, например пару встречно включённых MOSFET с изолированным
драйвером. Датчик напряжения останавливает заряд при достижении 80 В;
напряжение источника 100 В обеспечивает зарядный запас.
Разрядный путь: положительный вывод C1 — тиристор VS1 — резистор
R1 — дроссель L1 — электрод E1 — рабочий промежуток — деталь E2 —
токовый датчик RS1 — отрицательный вывод C1. Полярность инструмента
положительная. Индуктивность соединений включается в расчёт LΣ, а
сопротивления проводов, датчика и ключа — в RΣ.
Перед отпиранием VS1 зарядный ключ обязательно закрывают. При
нормальном импульсе ток естественно уменьшается до нуля, после чего
тиристор запирается. Удаление сигнала с управляющего электрода не
выключает уже проводящий тиристор; поэтому остановка выполняется
запретом следующего импульса и отключением зарядного пути.
VD0 подключён встречно-параллельно C1: анодом к отрицательному
выводу, катодом к положительному. Он ограничивает обратное напряжение
накопителя при аварийном замыкании. В нормальном расчётном импульсе C1
остаётся положительно заряженным и VD0 не проводит. Защитная RC-цепь
параллельно VS1 ограничивает скорость нарастания напряжения; её элементы
уточняют по реальным паразитным параметрам.
Постоянный резистор Rb = 100 кОм служит резервным разрядным путём.
Для быстрого разряда после остановки предусмотрены Rd = 1 кОм и нормально
замкнутый контакт KD1. При работе реле удерживает этот контакт
разомкнутым. Состояние контакта и остаточное напряжение контролируются
до открытия камеры.
Раздельное управление зарядом и разрядом известно по патенту [3], а
обратная связь по току при ЭИЛ описана в [4]. В работе предложены
собственные номиналы, R–L-цепь и система управления.
10
5.2. Управление и обратные связи
Контроллер A1 получает сигналы напряжения C1, тока и напряжения
промежутка, положения головки, температуры и блокировок. Измерительные
каналы силовой части гальванически развязаны; PE остаётся независимым.
Начало очередного цикла допускается при закрытой двери, работающей
вытяжке, допустимой температуре и готовности приводов. Сначала проверяется
завершение предыдущего тока и выдерживается пауза восстановления VS1.
Затем включается VT1 и заряжается C1. После достижения уставки заряд
отключается; до команды на VS1 предусмотрена пауза не менее 0,1 мс.
Разряд разрешается в заданной фазе вибрации при обнаруженном
микроконтакте. Если к этому моменту C1 не заряжен либо электрод удалён,
цикл пропускается. После импульса по осциллограммам определяют, был ли
нормальный разряд, холостой ход или жёсткое замыкание. Средняя подача Z
регулируется медленнее частоты импульсов, чтобы не следовать за каждым
случайным событием.
Нормальный режим характеризуется конечной длительностью тока и
ненулевым напряжением разрядного канала. При жёстком контакте напряжение
промежутка мало, большая часть энергии расходуется в контуре, а полезный
перенос нестабилен. При холостом ходе ток отсутствует. Пороговые значения
классификации устанавливают по записи реальных сигналов; принятое в
расчёте напряжение 20 В не является готовым порогом компаратора.
Независимый аппаратный контроль перенапряжения C1, с исходной
уставкой 85 В, запрещает заряд и снимает разрешение силовой части.
Программное регулирование 80 В и аппаратная защита 85 В имеют разные
функции. Также контролируются перегрев резисторов и источника, застревание
головки и повторяющиеся короткие замыкания.
После аварийного останова снимается питание зарядного узла,
прекращаются новые команды VS1, останавливаются подачи и подключается
Rd. Текущий импульс завершается в пассивной R–L-цепи. Дверь открывается
только после подтверждения безопасного состояния и отсутствия движения;
одного расчётного времени выдержки недостаточно.
5.3. Учёт полезной дозы
Программа сохраняет координаты, режим, число полезных импульсов и
причины остановок. При недоборе дозы участок направляют на контроль.
Увеличение энергии для компенсации пропусков допускается только после
проверки нового режима.
11
6. Расчёт разрядного импульса
6.1. Расчётная модель
Рассматривается один нормальный разряд после образования
проводящего канала. Приняты C = 50 мкФ, U₀ = 80 В, L = 20 мкГн и RΣ = 0,75
Ом. Напряжение канала Uд = 20 В считается постоянным в течение импульса.
Это упрощение, требующее проверки осциллограммой; стадия возникновения
канала отдельно не моделируется.
(2)
Начальные условия: i(0) = 0; UС(0) = U₀. Для недокритического
затухания:
(3)
(4)
(5)
(6)
Формулы действуют до первого нуля тока; отрицательная полуволна
блокируется тиристором. Длительность и время достижения максимума:
(7)
(8)
Расчётная форма показана на листе Г4. В действительности напряжение
канала изменяется, а импульс может завершаться раньше из-за его погасания.
Поэтому значения 123 мкс и 47,6 А являются проектной оценкой нормального
импульса, а не точными паспортными параметрами будущего аппарата.
12
6.2. Заряд и баланс энергии импульса
В конце первой положительной полуволны остаточное напряжение C1
положительно:
(9)
(10)
Начальная энергия накопителя и её уменьшение за импульс:
(11)
(12)
При принятом постоянном напряжении канала электрическая энергия в
промежутке равна:
(13)
(14)
Таким образом, около 42,5% от израсходованной энергии C1 выделяется
в разрядном канале, остальное — в эквивалентном сопротивлении контура.
Энергия канала дополнительно распределяется между электродом, деталью,
плазмой, выбросами и окружающей средой. Приравнивать W₀ или Wд к
теплоте, поглощённой деталью, неправильно.
При f = 100 Гц
Расчётное значение
Средняя энергия разрядов в единицу времени
fWд = 6,59 Вт
Потери в разрядном сопротивлении
fWR = 8,91 Вт
Мощность, отбираемая от C1 импульсами
fΔWC = 15,51 Вт
Средний ток переноса заряда
fΔq = 0,330 А
Баланс выполнен для 100 нормальных импульсов в секунду. При
пропусках средние мощности уменьшаются. Долю энергии в детали нельзя
достоверно получить только из схемы; её определяют калориметрически либо
по проверенной тепловой модели.
13
7. Зарядная цепь и выбор элементов
7.1. Время заряда и мощность источника
Приняты Uист = 100 В и Rch = 100 Ом. После импульса C1 заряжается от
14,06 до 80 В. Влиянием Rb = 100 кОм на эту оценку пренебрегаем: его ток
значительно меньше зарядного.
(15)
Сумма tи = 0,123 мс, паузы восстановления 0,30 мс, заряда 7,29 мс и
предразрядной паузы 0,10 мс равна 7,81 мс. Она меньше периода 10 мс.
Условие проверяется для выбранного тиристора; если требуемое время
восстановления больше, паузу увеличивают и заново проверяют цикл.
(16)
(17)
Пиковый ток заряда около 0,86 А. Для силового канала принимается
изолированный источник 100 В, 1 А. Его 100 Вт — установленная выходная
мощность с запасом; расчётное среднее потребление зарядного канала около 33
Вт без учёта КПД преобразователя. Приводы, управление и вытяжка
учитываются отдельно.
7.2. Предварительные требования к элементам
Элемент
Требования для опытного образца
C1
50 мкФ; импульсный, не менее 160 В; допустимые dU/dt ≥ 2 В/мкс и
токи проверяются по паспорту.
Rch; R1
100 Ом, не менее 50 Вт; R1 ≈ 0,65 Ом, неиндуктивный, не менее 25 Вт;
проверить импульсную энергию.
L1
С учётом проводов LΣ = 20 мкГн; отсутствие насыщения до 100 А.
VS1; VD0
Импульсный ток не менее 100 А; напряжение не менее 200 В; проверить
di/dt, dv/dt и восстановление.
VT1
Обратноблокирующий зарядный узел; не менее 200 В и 2 А с учётом
нагрева и области безопасной работы.
Для расчёта RΣ к R1 добавлено 0,10 Ом прочих потерь. Действующее значение
разрядного тока C1 около 3,45 А; зарядная составляющая увеличивает его.
Конденсатор выбирают по полному импульсному току и ресурсу, а не только по
ёмкости и напряжению.
14
8. Подача и производительность
8.1. Перекрытие импульсных следов
При скорости v = 5 мм/с и частоте нормальных разрядов f = 100 Гц
расстояние между последовательными воздействиями вдоль строки:
(18)
Для начального назначения шага условно принимается диаметр
отдельного следа dсл = 0,30 мм. Это значение должно быть измерено на
пробном участке; диаметр стержня 3 мм не равен диаметру одного разрядного
следа. При шаге строк b = 0,20 мм геометрическое перекрытие:
(19)
Такая оценка относится к идеальной последовательности одинаковых
следов. Реальные точки разряда распределяются по торцу и зависят от рельефа.
Перекрытие по геометрии не доказывает сплошность покрытия; её проверяют
микроскопией.
8.2. Время обработки площадки
Площадь 40 × 40 мм составляет 1600 мм². Для двух проходов при шаге
0,20 мм суммарная длина рабочих строк приближённо равна:
(20)
(21)
(22)
Без учёта краевых строк один проход содержит около 200 строк по 40 мм.
На 400 строк двух проходов предусмотрен резерв 10% времени для переходов:
ориентировочный цикл сканирования 58,7 мин. Это бюджет, а не расчёт
разгона конкретных приводов. При выборе двигателей нужно обеспечить
примерно 0,8 с на один переход либо увеличить время цикла.
За рабочие 3200 с выполняется до 320 000 нормальных импульсов.
Загрузка, очистка, измерения и замена электрода в это время не входят. При
доле нормальных разрядов 0,8 фактическая доза при той же подаче снижается
на 20%; корректировку скорости устанавливают по качеству, а не только по
счётчику.
15
9. Тепловая оценка и разряд накопителя
9.1. Локальность нагрева и температура детали
Для оценочного коэффициента температуропроводности стали a =
1,2·10⁻⁵ м²/с характерный диффузионный масштаб за время импульса:
(23)
Это масштаб распространения тепла по модели теплопроводности, а не
рассчитанная глубина плавления или толщина покрытия. Фазовые
превращения, движение расплава и условия контакта этой формулой не
учитываются.
Если для тепловой проверки условно принять поступление в деталь 30%
энергии разрядного канала, средняя тепловая мощность составит 0,30·6,59 =
1,98 Вт. При плотности стали 7850 кг/м³ масса выбранной пластины равна 0,196
кг. Для теплоёмкости 460 Дж/(кг·К) получаем предельную адиабатическую
оценку за 3200 с:
(24)
Даже небольшая средняя мощность при длительной обработке может
заметно нагреть малую деталь. Поэтому предусмотрены теплопроводящий
зажим, контроль температуры и паузы. Исходная уставка остановки 60 °C
является проектным ограничением для данного образца; допустимую
температуру назначают с учётом материала и точности детали. Принятые 30%
не являются измеренным энергетическим КПД.
9.2. Остаточная энергия и время разряда
После остановки Rd = 1 кОм подключается параллельно C1. Без учёта
резервного Rb постоянная времени равна 0,050 с. Время снижения с 80 до 5 В:
(25)
Начальная мощность Rd равна 80²/1000 = 6,4 Вт, энергия разряда — не
более 0,16 Дж при штатной уставке. При возможном заряде до напряжения
источника 100 В энергия возрастает до 0,25 Дж. Резистор и контакт выбирают
по этому запасу и повторяемости операций. Контроль напряжения обязателен;
время выдержки не подтверждает исправность контакта.
16
10. Контроль качества и проверка результата
Испытания выполняют на серии одинаковых образцов, включая
необработанную контрольную группу. Фиксируют исходную твёрдость и
шероховатость, состояние термообработки, способ подготовки, материал и
расход электрода. Протокол содержит уставки генератора и фактические
осциллограммы. Это позволяет отделить влияние импульсного режима от
разброса исходного материала.
Для проверки электрической модели одновременно измеряют напряжение
промежутка и ток. Энергию нормального разряда находят численным
интегрированием произведения u(t)i(t). Полученное значение сопоставляют с
расчётными 0,06594 Дж; при расхождении уточняют Uд, сопротивление и
индуктивность контура. Интеграл только тока или только напряжения энергии
не определяет.
(26)
Показатель
Как проверяется
Толщина и дефекты
Поперечные шлифы в начале, середине и конце маршрута;
несколько полей в каждой зоне.
Микротвёрдость
Серия отпечатков на слое и основе; одинаково обоснованная
нагрузка, среднее и разброс.
Шероховатость
Профилометрия до обработки, после ЭИЛ и после доводки;
одинаковое направление измерения.
Износостойкость
Сравнительные испытания при одинаковых нагрузке, контртеле,
скорости, пути и среде.
Геометрия
Размеры и плоскостность до и после обработки; контроль
температуры при измерении.
Предварительные цели 10–30 мкм и отношение микротвёрдостей не
менее 1,5 принимаются только при отсутствии недопустимого разрушения
слоя. Если поверхность стала твёрже, но покрытие отслаивается или абразивно
изнашивает сопряжённую деталь, технологическая цель не достигнута.
Коэффициент повышения износостойкости определяют отношением
объёмного износа контрольного образца к износу обработанного при
одинаковом пути трения. Его численного значения для предлагаемой установки
до испытаний нет.
При оптимизации режима исследуют напряжение, частоту, подачу и
число проходов. Оценивают воспроизводимость качества, а не единичный
максимум твёрдости.
17
11. Эксплуатация и защитные меры
Рабочая камера удерживает искры и частицы, а непрозрачные или
светофильтрующие экраны ограничивают наблюдение за ярким разрядом.
Дверь снабжена блокировкой. Нельзя включать обработку при снятом
ограждении, незакреплённой детали, повреждённом токоподводе или
неисправной вытяжке.
Гальваническая развязка источника не исключает опасности
прикосновения одновременно к рабочим выводам. Конденсатор хранит
энергию после отключения сети. Доступ к силовым цепям допускается после
отключения, контролируемого разряда и проверки отсутствия напряжения. На
конденсаторе предусматриваются закрытые выводы и обозначение полярности.
Технологическая цепь и защитное заземление имеют разные назначения.
Рабочий возврат подключают непосредственно к детали или токопроводящей
оснастке, а металлические корпуса — к PE. Изолирующие опоры детали
защищают станочные узлы от прохождения импульсного тока; их состояние
проверяют при обслуживании.
Аэрозоль и частицы материала электрода удаляются местной вытяжкой.
Это существенно для обработки твёрдым сплавом с кобальтовой связкой.
Фильтры и отходы обслуживают с учётом состава загрязнений; сухое сдувание
осадка в помещение не применяется. Аргон используют с закреплённым
баллоном, исправным редуктором и вентиляцией помещения.
Зарядный и разрядный резисторы размещаются на негорючих опорах с
отводом тепла. Кабели и измерительные цепи разнесены, а площадь силового
контура минимизирована для уменьшения паразитной индуктивности и помех.
Дроссель, конденсатор и тиристор устанавливают рядом; гибкий участок к
головке выполняют настолько коротким, насколько позволяет её ход.
Перед началом смены проверяют защитные блокировки, вытяжку, подачу
газа, фиксацию стержня и целостность плетёнки. При наладке генератора
сначала используют эквивалент нагрузки и измерительные средства с
подходящими напряжением, полосой и изоляцией. Подключение заземлённого
измерительного прибора не должно непреднамеренно замыкать изолированный
силовой контур через PE.
Аварийный останов действует независимо от программы траектории.
Повторный пуск требует снятия причины остановки и новой проверки
готовности. Предложенная схема задаёт необходимые функции защиты;
окончательные исполнения блокировок, изоляции и аппаратов устанавливают
при рабочем проектировании и проверке опытного образца.
18
Заключение
Предложена установка электроимпульсного упрочнения поверхности
металла, реализующая электроискровое легирование. Положительный
расходуемый электрод ВК8 взаимодействует с отрицательно подключённой
деталью из стали 45. Упрочнение связано с переносом материала, локальным
переплавлением, формированием твёрдых фаз и быстрым затвердеванием
поверхностного слоя.
Конструктивная схема включает координатный стол X–Y, медленную
подачу Z, электромагнитную вибрационную головку с упругим направляющим
подвесом, изолированную цангу, отдельный токоподвод, газовое сопло и
теплоотводящую оснастку. Подробный разрез головки показывает взаимное
положение катушки, якоря, пружин, изолятора и электрода.
Электрическая схема построена на накопителе 50 мкФ с зарядом до 80 В.
Зарядный и разрядный ключи управляются раздельно, поэтому источник не
должен поддерживать непрерывную дугу после импульса. Предусмотрены
ограничивающая R–L-цепь, контроль тока и напряжения, защитный диод,
резервный и управляемый разряд накопителя.
При принятых LΣ = 20 мкГн, RΣ = 0,75 Ом и условном напряжении
канала 20 В рассчитаны пиковый ток 47,6 А и длительность 123,4 мкс.
Начальная энергия C1 составляет 0,160 Дж, из неё за нормальный импульс
около 0,06594 Дж выделяется в разрядном промежутке. Расчётное время
восстановления заряда 7,29 мс позволяет работать с частотой до 100 Гц с
предусмотренными паузами.
Для участка 40 × 40 мм при скорости 5 мм/с, шаге строк 0,20 мм и двух
проходах рабочее время составляет 53,3 мин. С резервом на переходы цикл
сканирования оценивается в 58,7 мин. Это расчёт для выбранной малой
площадки, без включения подготовительных и контрольных операций.
Тепловая оценка показывает необходимость теплоотвода даже при
небольшой средней мощности. Толщина и микротвёрдость слоя, отсутствие
дефектов и выигрыш в износостойкости требуют экспериментального
подтверждения. Разработанные схемы и расчёты образуют основу для
изготовления и наладки опытной установки, но не заменяют рабочих чертежей
и результатов испытаний.
19
Список использованных источников
1. Верхотуров А. Д., Иванов В. И., Дорохов А. С., Коневцов Л. А., Величко С. А.
Влияние природы электродных материалов на эрозию и свойства легированного слоя.
Критерии оценки эффективности электроискрового легирования // Вестник
Мордовского университета. 2018. Т. 28, № 3. С. 302–320. DOI: 10.15507/0236-
2910.028.201803.302-320.
Электронный ресурс: vestnik.mrsu.ru
2. Николенко С. В., Сюй Н. А., Бурков А. А. Исследование микроструктуры и свойств
покрытий на стали 45, нанесенных методом электроискрового осаждения
электродами на основе TiC–Ni–Mo // Цветные металлы. 2017. № 4. DOI:
10.17580/tsm.2017.04.10. Использовано открытое описание исследования на сайте
издателя.
Электронный ресурс: rudmet.ru
3. Коваленко С. В., Николенко С. В., Верхотуров А. Д. Генератор импульсов
технологического тока: патент РФ № 2204464 C2. Опубликован 20.05.2003.
Электронный ресурс: patents.google.com — русский текст патента
4. Николенко С. В., Ищенко С. Б. Генератор импульсов технологического тока для
электроискрового легирования: патент РФ № 2429953 C2. Опубликован 27.09.2011.
Электронный ресурс: patents.google.com — русский текст патента
Дата обращения: 20.10.2026.
Компоновка, размеры и расчётные режимы предложены в настоящей работе. Источники
используются для обоснования способа ЭИЛ и принципов генерации импульсов; результаты
испытаний именно этой установки в них отсутствуют.
20
21
22
23
