Экспериментальные исследования режимов получения шероховатых металлических поверхностей в вакуумном дуговом разряде

В современной науке и технике существует потребность в создании шероховатых поверхностей металлических изделий. Это необходимо, например, для улучшения адгезионных свойств различных покрытий, снижения износа трущихся деталей из-за лучшего удержания смазки, повышения коэффициента теплоотдачи от поверхности при оптимальной ее шероховатости и в ряде других случаев [1 — 11]. Ранее нами было показано, что регулируемую шероховатость на металлических поверхностях можно получать методом подвижных катодных пятен (МПКП) [12].

В работах, посвященных изучению электродных процессов в вакуумных дуговых электрических разрядах (см., например, фундаментальные обзоры в сборнике [13], отмечается образование шероховатых поверхностей электродов в результате электротермического воздействия катодных (или анодных) перемещающихся пятен. Однако, в этих и многочисленных последующих работах, посвященных изучению вакуумных дуг, не проводились исследования характеристик получаемой шероховатости и возможности управления ее параметрами. В ряде работ [14, 15] предлагаются теоретические методы прогнозирования получаемой шероховатости.

Новизна данной работы состоит в том, что в ней впервые проведено экспериментальное исследование режимов вакуумной дуги именно для получения нужной (задаваемой) шероховатости поверхностей изделий. Так как катодные пятна, в отличие от анодных, дополнительно очищают поверхность от различных загрязнений [11], то в работе исследовались режимы, когда образцы (изделия) являлись катодами в разрядах.

Описание экспериментальной установки и результатов исследований.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — вакуумная камера, 2 — образец (катод), 3 — анод, 4 — устройство инициирования дуги, 5 — система откачки, 6 — осциллограф, ВТ — термопарный датчик, G — выпрямитель, L — индуктивность, R_шт — шунт.

Экспериментальное исследование получения шероховатости на металлических поверхностях проводилось на установке, схема которой представлена на рис. 1. Установка состоит из вакуумной камеры 1, в которой размещаются обрабатываемый образец (катод) 2, коаксиальный анод 3 и устройство инициирования разряда 4. С помощью системы откачки 5, в которую входят вакуумные ротационные насосы, камера предварительно откачивается до давления 10^-2 мм рт. ст. и в ней поддерживается необходимое рабочее давление.

В ряде исследуемых режимов организовывалась дополнительная микроподача аргона в камеру. Давление в камере контролировалось вакуумметром ВИТ-2П с термопарным датчиком ВТ. Электропитание дугового разряда осуществлялось от выпрямителя G тиристорного типа ПИРС-500 с последовательно включенной в цепь индуктивностью L 10 мГн, которая обеспечивала необходимую в ряде случаев стабилизацию дуги. Инициирование разряда осуществлялось методом касания катода дополнительным подвижным электродом 4. Контроль тока I и напряжения U разряда проводился стрелочными приборами; дополнительно с целью изучения временных характеристик разряда осуществлялась регистрация осциллограмм тока и напряжения на запоминающем осциллографе С8−17 (6).

а).
б).

Рис. 2. Минимальная шероховатость поверхности, полученная электродуго-вым вакуумным методом: а — увеличение х 8, б — увеличение х 56.

Образцы для исследования изготавливались из титанового сплава ВТ-5 и имели рабочие поверхности двух видов: цилиндрическую поверхность с диаметром 11 мм и длиной 15 мм и коническую поверхность с диаметром основания 12 мм и высотой 15 мм. Качество рабочих поверхностей обеспечивалось не хуже R_a 2,5.

а).
б).

Рис. 3. Максимальная шероховатость поверхности, полученная электродуго-вым вакуумным методом: а — увеличение х 8, б — увеличение х 56.

Как показали эксперименты, получаемая шероховатость зависела от режима горения разряда на обрабатываемой поверхности, который определялся давлением в камере р, током I и напряжением U разряда и временем обработки .

На рис. 2 и рис. 3 представлены фотографии конических титановых образцов с характерными результатами обработки их поверхностей. Минимальная шероховатость (R_a < 10 мкм) была получена в режиме: р = (1,5…3,0)^.10^-2 мм рт. ст., I = 7…9 A, U = 21…23 B, 20 c (6 импульсов длительностью по 2…4 с). Максимальная шероховатость (R_a 10 мкм) была достигнута в режиме: р = 9^.10^-3…3^.10^-2 мм рт. ст., I = 20…25 A, U = 20…21 B, = 75 c.

Рис. 4. Профилограммы образцов: Д — цилиндрический образец;? — конический образец.

На рис. 4 представлены результаты замеров шероховатости по стандартной методике определения показателя R_a, полученные на приборе «Профилометр 296» (диапазон измерений 0,02…10 мкм, цена деления шкалы 0,004 мкм, класс точности 2) для конического и цилиндрического образцов.

Рис. 5. Осциллограммы тока (а) и напряжения (б) разряда для режима малой шероховатости; м_I = 40 А/дел., м_U = 50 В/дел., м = 200 мс/дел.

Ниже представлены характерные осциллограммы тока и напряжения разряда для режимов с малой (рис. 5) и большой (рис. 6) шероховатостью.

Рис. 6. Осциллограммы тока (а) и напряжения (б) разряда для режима большой шероховатости; м_I = 40 А/дел., м_U = 50 В/дел., м = 500 мс/дел.

Выводы

шероховатость поверхность вакуумный дуговой Экспериментально исследованы возможности предложенного метода получения регулируемой шероховатости на металлических поверхностях электротермическим воздействием подвижных катодных пятен в вакуумном дуговом разряде. Представлены результаты обработки различных по форме поверхностей с помощью данного метода.

Предложены рабочие режимы обработки металлических поверхностей с целью получения как минимальной, так и максимальной шероховатости.

Гаркунов Д. Н. Триботехника [Текст]: учебное пособие / Д. Н. Гаркунов, Э. Л. Мельников, В. С. Гаврилюк. — М.: КНОРУС, 2012. — 408 с.

Гаркунов Д. Н. Триботехника. Краткий курс [Текст]: Монография / Д. Н. Гаркунов, Э. Л. Мельников, В. С. Гаврилюк. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. — 308 с.

Гаркунов Д. Н. Научные открытия в триботехнике. Эффект безысносности. Водородное изнашивание металлов [Текст]: Монография / Д. Н. Гаркунов. — М.: Изд-во МСХА, 2004. — 384 с.

Костецкий Б. И. Трение, износ и смазка в машинах [Текст]: Монография / Б. И. Костецкий. — Киев: Техника, 1979. — 396 с.

Поляков А. А. Трение на основе самоорганизации [Текст]: Монография / А. А. Поляков, Ф. И. Рузанов. — М.: Наука, 1992. — 135 с.

Щербаков И. Н. Обоснование процесса получения композиционных антифрикционных самосмазывающихся материалов с заданными техническими характеристиками методом химического наноконструирования [Электронный ресурс] / И. Н. Щербаков, Ф. П. Дерлугян // Инженерный вестник Дона. — 2010. № 4. — Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/287 (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.

Щербаков И.Н. О системном подходе к разработке композиционных антифрикционных покрытий [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона. 2013. № 1. — Режим доступа: http:// http://ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1567 (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.

Фоменко Л. А. Теплообмен при нагреве поверхности с искусственной субмиллиметровой шероховатостью [Текст] // Л. А. Фоменко, Л. Г. Ловцова. — Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. — 2010. — № 2. — С. 109−112.

Роговой Ю. А. Исследование влияния шероховатости наружной поверхности подводных объектов на их гидродинамические характеристики [Текст]: дис. … канд. техн. наук: 05.08.01 / Юрий Алексеевич Роговой. — СПб., 2005. — 136 с.

Вильямс Д. Ф. Имплантаты в хирургии [Текст]: Монография / Д. Ф. Вильямс, Р. Роуф. — М.: Медицина, 1978. — 552 с.

Букаев М. Ф. Дентальная имплантология [Текст]: Монография / М. Ф. Букаев, А. О. Суров, О. Н. Суров. — Алматы: Раритет, 2004. — 104 с.

Аникеев В.Н., Докукин М. Ю. Получение регулируемой шероховатости металлических поверхностей в вакуумном дуговом разряде [Электронный ресурс] // Инженерный вестник. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 2. — Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/doc/531 539.html (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.

Кобайн Дж. Вакуумные дуги [Текст]: Пер. с англ. / Под ред. Дж. Лафферти / Дж. Кобайн, Г. Эккер, Дж. Фаррелл и др. — М.: Мир, 1982. — 432 с.

Benardos P.G. Predicting surface roughness in machining: a review [Text] // P.G. Benardos, G.-C. Vosniacos. — International Journal of Machine Tools and Manufacture. — 2003. — V. 43, Iss. 8. — P. 833−844.

Hecker R.L. Predictive modeling of surface roughness in grinding [Text] // R.L. Hecker, S.Y. Liang.? International Journal of Machine Tools and Manufacture. — 2003. — V. 43, Iss. 8. — P. 755−761.