Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Разработка метода размерной комбинированной обработки сложнопрофильных поверхностей

Разработка метода размерной комбинированной обработки сложнопрофильных поверхностей

Чистовая размерная обработка сложнопрофильных деталей, применяемых в авиационной, ракетно-космической технике и в нефтегазовой промышленности, всегда представляла сложную инженерную и технологическую задачу. Детали, к которым можно отнести рабочие колеса турбонасосных агрегатов, шнеки, крыльчатки, корпуса различного назначения характеризуются наличием сложного контура обрабатываемых поверхностей, сквозными и глухими криволинейными каналами, сечениями переменного профиля.

Характерные условия эксплуатации таких деталей накладывают жесткие ограничения по точности поверхностей, параметрам шероховатости и наличию внутренних напряжений в материале детали. Такие поверхности до настоящего времени зачастую механической обработке не подвергались. Это было связано с отсутствием технологических процессов размерного формообразования подобных сложнопрофильных поверхностей, так как они труднодоступны для обработки традиционными цельными инструментами. В связи с этим возникла проблема разработки метода размерного формообразования сложнопрофильных деталей, обеспечивающего получение заданных характеристик качества на локальных участках поверхности.

Такой метод должен отвечать нескольким принципиальным условиям. Во-первых, необходимо обеспечить размерную обработку труднодоступных для традиционного инструмента участков поверхности, удаленных на значительные расстояния. Во-вторых, он должен гарантировать получение требуемых заранее заданных характеристик качества поверхностного слоя деталей, так как все детали этого класса работают в условиях интенсивных знакопеременных нагрузок, и несоблюдение этого условия приведет к снижению их ресурса. В-третьих, необходимо проводить размерную обработку локальных участков поверхности (удаления припуска и упрочнения) с целью создания на рабочих поверхностях детали областей с повышенными эксплуатационными характеристиками.

На кафедре "Технология машиностроения" Воронежского государственного технического университета и в других вузах и отраслевых институтах работы в этом направлении ведутся в течение последних двадцати лет. За этот период найден способ электрохимико-механической обработки с использованием твердого токопроводящего наполнителя и созданы оборудование и средства технологического оснащения для его реализации. Данный метод отвечает всем перечисленным выше требованиям. Он позволяет обрабатывать сложнопрофильные поверхности, удаленные от электрода-инструмента на значительные расстояния, обеспечивает гарантированное получение заранее заданных показателей качества поверхностного слоя детали, выполненной из токопроводящих материалов и сплавов. Однако размерная обработка с применением наполнителя до настоящего времени не была реализована. Результаты ранее выполненных по данной тематике работ не подвергались обобщению и анализу, а сами разработки были направлены на решение узкоспециализированных технологических задач.

Проблема создания размерного способа обработки с применением твердого токопроводящего наполнителя представляет собой эвристическую задачу по определению характера перемещения струи двухкомпонентной рабочей среды с нечетко выраженными границами по обрабатываемой поверхности. Формообразование поверхности по всей площади струи происходит неравномерно. Проблема может быть решена на основе создания обобщенного критерия управления процессом перемещения рабочей среды, который учитывает основные значимые факторы и технологические параметры, постоянно изменяющиеся во времени. Таким образом, для решения данной проблемы необходимо определить пути повышения качественных и эксплуатационных характеристик деталей сложного профиля путем создания условий управления с наполнителем и формирования показателей качества поверхности путем регенерации энергии струи рабочей среды в зависимости от профиля обрабатываемой поверхности.

Создание способа размерного формообразования сложнопрофильных поверхностей с гарантированным получением заданных параметров качества поверхностного слоя позволит не только повысить ресурс и долговечность ответственных узлов авиационной техники и нефтегазовой аппаратуры, но и расширить область технологического использования данного процесса на детали, применяемые в товарах народного потребления. Размерная обработка с применением твердого токопроводящего наполнителя представляет собой не только технологический процесс размерного удаления припуска на обработку, но и инструмент формирования качественных показателей поверхности для вновь разрабатываемых деталей уникальной техники.

Авторами были получены следующие результаты:

разработан новый научный и технологический подход к решению проблемы размерного формообразования сложнопрофильных поверхностей, недоступных для обработки инструментом с постоянной геометрией, основанный на комплексном воздействии на процесс дискретного инструмента в виде твердого токопроводящего наполнителя;

обоснована концепция влияния геометрического фактора гранул наполнителя и потока многокомпонентной рабочей среды на производительность размерного формообразования с использованием токопроводящих гранул, на показатели качества (шероховатость, степень и глубина наклепа), на точность получаемых поверхностей и эксплуатационные характеристики изделия;

установлено явление регенерации электрического заряда на поверхности и токопроводящего наполнителя в пространстве между электродами за счет взаимодействия гранул между собой, что позволяет обеспечить размерное удаление припуска в результате анодного растворения при межэлектродных промежутках, не используемых в традиционной размерной электрохимической обработке;

разработана концепция обобщенного критерия управления на основе времени протекания процесса анодного растворителя и пластического деформирования с его динамической корректировкой в зависимости от условий взаимодействия наполнителя с жидкой компонентой, формы поверхности детали, динамических и геометрических характеристик потока, электрических параметров процесса ис учетом состояния токопроводящего наполнителя.

Полученные теоретические результаты апробированы и используются в промышленных условиях. При этом были получены следующие практические результаты:

создан процесс управления размерным формообразованием токопроводящих материалов, позволивший расширить область технологического использования электрохимической обработки с твердым токопроводящим наполнителем на размерное формообрaзование труднодоступных для инструмента поверхностей различного профиля;

достигнуто комплексное решение проблемы размерного формообразования деталей с получением требуемых характеристик качества поверхностного слоя, что дает возможность повысить эксплуатационные характеристики изделий;

созданы оптимальные технологические процессы размерного формообразования труднодоступных для инструмента поверхностей, по позволило технологу-машиностроителю расширить базу знаний по электрохимической обработке с наполнителем;

реализовано технологическое решение проблемы размерной обработки сложнопрофильных тонкостенных деталей (патент России № 2072281) и поверхностей деталей, расположенных под отрицательным углом к оси симметрии струи рабочей среды (патент России №2166417).

Процесс размерного удаления припуска и формирования заранее заданных качественных характеристик поверхностного слоя детали представляет собой одновременное и взаимосвязанное воздействие на обрабатываемую поверхность анодного растворения, механического упрочнения и дипассивации поверхности. Модель данного процесса может быть представлена в виде синтеза нескольких частных моделей - гидродинамической, анодного растворения, формирования слоя детали при пластическом деформировании и др.

Успешная реализация размерной обработки с применением наполнителя возможна при разработке обобщенного критерия управления. В качестве такого критерия предлагается использовать время обработки локального участка поверхности детали tлок, при котором на этом участке формируются заранее заданные качественные и эксплуатационные характеристики изделия, и осуществляется удаление припуска. Такой показатель определяет не только время формообразования локального участка поверхности, но и общее время размерной обработки при использовании комбинированного метода. Это связано с тем, что вся поверхность детали представляет собой полигон, на котором определены участки, геометрические характеристики которых соответствуют "эффективному" пятну рабочей среды на обрабатываемой поверхности. Такие участки соединены между собой траекторией перемещения пятна струи по определенному временному закону, описывающему время формирования характеристик качества и анодного удаления припуска.

Обобщенный критерий управления размерной обработкой с применением твердого токопроводящего наполнителя (время формирования качественных и эксплуатационных характеристик поверхности на локальном участке поверхности) может быть описан выражением

tлок = ƒ(UН, hH, Ra, Δдет), (1)

где UН, hH, Ra, Δдет - характеристики качества поверхностного слоя, соответственно степень наклепа, толщина упрочненого слоя, шероховатость и точность профиля поверхности.

При использовании такого подхода закон для определения времени размерной обработки сложнопрофильной поверхности, состоящей более чем из одного "эффективного" участка, может быть представлен в виде

T = ƒ(tлок) = ƒ(ƒ(UН, hH, Ra, Δдет)), (2)

Выражения (1) и (2) показывают, что при построении комплексной модели размерного формообразования поверхностного слоя сложно-профильной детали необходимо охватить все физические явления, участвующие в формировании поверхности.

В отличие от размерной электрохимической обработки, которая хорошо изучена, рассматриваемый комбинированный метод обработки имеет ряд существенных особенностей. Рабочая среда в общем случае представляет собой четырехкомпонентную смесь: электролит (жидкая составляющая), коллоидные частицы шлама, газообразные продукты анодного растворения, гранулы твердого наполнителя (твердая составляющая).

При построении модели были использованы следующие исходные положения. Гранулы при механическом воздействии на поверхность детали создают в поверхностном слое наклеп, который не отличается равномерностью, так как в большинстве известных вариантов применения процесса размеры наполнителя на несколько порядков превышают размеры впадин неровностей исходной поверхности, а повторное попадание гранулы в ранее сформированную лунку имеет чрезвычайно низкую вероятность. Анодное растворение обрабатываемой поверхности детали выравнивает степень упрочнения поверхностного слоя за счет повышенной скорости удаления припуска в местах наклепа, но незначительно снижает его величину, так как эти два процесса (упрочнение и анодное растворение) протекают одновременно. Механическое и анодное воздействие на поверхность детали происходит одновременно, однако их взаимные составляющие могут изменяться в широких диапазонах и для получения оптимальных значений качественных и эксплуатационных показателей, обеспечивающих максимальную усталостную прочность детали, необходимо определить оптимальные уровни воздействия всех факторов.

Задача создания модели процесса размерного формообразования состоит в получении основных математических зависимостей, применимых с позиций реальной технологии, которые обеспечивают проведение размерной обработки, гарантирующей получение заданного показателя шероховатости поверхности детали, при которой предел выносливости материала σ-1 стабилизируется и является максимальным при оптимально стабильной величине наклепа.

Время, как обобщенный критерий управления размерной обработкой сложнопрофильных деталей, существенно зависит от применяемой схемы обработки и целей, которые преследуются при ее использовании. Если при проведении обработки необходимо обеспечить не только удаление локального припуска на обработку, но и добиться требуемых показателей шероховатости и точности поверхности, степени и глубины упрочненного слоя и точности поверхности детали (все остальные схемы обработки являются частными случаями данной и при их использовании расчет времени на обработку только упрощается), суммарное время обработки детали может быть определено по выражению

T = tлокN, (3)

где N - количество локальных участков, на которые разделена обрабатываемая поверхность, причем их площадь равна площади "эффективного" пятна струи рабочей среды, шт.

Время обработки окального участка tлок складывается из времени удаления припуска на обработку в результате анодного растворения материала заготовки tлр и времени, необходимого для формирования характеристик качества поверхности в результате анодного растворения и пластического деформирования, tH:

tлок = tлр + tH (4)

Выражение для определения времени удаления припуска за счет анодного растворения можно представить в виде

где ρзаг - плотность материала заготовки, кг/м3; Zуч - припуск на анодное растворение на локальном участке, мм; L- межэлектродный промежуток, мм; ε - электрохимический эквивалент материала заготовки, кг/(А-с); η - выход по току; Кн - коэффициент, характеризующий возрастание скорости анодного растворения за счет образования в приповерхностном слое наклепа, Кн = 1,2...1,5; U- рабочее напряжение, В; β - концентрация гранул наполнителя; γэл, γгр -удельная электропроводность соответственно электролита и материала гранул, (Ом*м)-1.

Выражение (5) показывает связь между характеристиками твердого наполнителя (физико-механические свойства и концентрация в потоке) и временем удаления припуска с локального участка поверхности. Изменение концентраций, условий транспортирования и физико-механических свойств материала гранул приводит к изменению времени, необходимого на обработку поверхности детали.

Время обработки, которое необходимо для обеспечения заданных показателей качества tH (шероховатости Ra, степени наклепа UH толщины hH упрочненного слоя), определяется следующим образом. Вычисляется время формирования каждой из этих характеристик, tнU, tнγ, tнRA "эффективном пятне рабочей среды, выбирается наибольшее полученное значение и принимается tн = tнi. Следует учитывать, что время формирования характеристик качества зависит от свойств поверхностного слоя и наследственной шероховатости, режимов обработки, материала гранул, конструкции сопла, угла контакта струи и поверхности детали (угла атаки). Условием получения заданных характеристик качества является сплошность обработки S’Д, когда вся поверхность подвергалась не только анодному растворению, но и механическому воздействию гранул в каждой точке хотя бы по одному разу. Сплошность обработки можно представить как зависимость, описывающую площадь поверхности детали, покрытой следами контакта с гранулами токопроводящего наполнителя за время tн:

S’Д = (1 - ebtн)2, (6)

где b - коэффициент, отражающий скорость, с которой обрабатываемая поверхность покрывается следами от удара гранул b = tgβд; βд - угол подъема кривой S’Д =ƒ(tн)

Сплошность обработки беспечивается равенством S’Д = 1. Однако при S’Д = 1 величина e-bt = 0, а время обработки tн стремится к бесконечности , т.е. обработка невозможна. Для устранения этого противоречия введены допущения: S’Д не равно, но очень близко к единице; вследствие равномерности распределения гранул в струе рабочей среды, происходит перекрытие лунок на поверхности детали, и как следствие — поверхность покрывается следами контакта быстрее, чем это можно было бы ожидать в соответствии с уравнением (6).

Обобщенный критерий управления процессом размерной комбинированной обработки с применением наполнителя, описывающий взаимное влияние различных составляющих на размерное формообразование поверхности, представляет собой модель взаимосвязи параметров и технологических режимов обработки. При этом общее время обработки детали

где Sдет и Sэф - площади соответственно обрабатываемой поверхности детали и "эффективного" пятна рабочей среды, м2.

Выражение (7) представляет собой закон размерного формирования качественных и эксплуатационных характеристик изделия, выраженный в виде времени, необходимого для обработки нескольких локальных "эффективных" участков, на которые разбит обрабатываемый полигон:

где kпр — коэффициент, характеризующий анодное удаление припуска на обработку; ki - коэффициент, учитывающий равномерность перемещения струи многофазной рабочей среды вдоль обрабатываемой площади; τ — коэффициент, учитывающий кривизну обрабатываемой поверхности (если радиус кривизны обрабатываемой поверхности превышает радиус гранул, то τ = 1); dэф - диаметр "эффективного" пятна струи рабочей среды, мм; zд- удаляемый припуск на единице площади, мм.

Разработанная математическая модель комбинированной обработки с использованием наполнителя может быть распространена на все известные схемы процесса: размерную и безразмерную обработку; обработку с наложением электрического тока и без него; обработку с использованием токопроводящего и диэлектрического материала гранул; обработку как с применением электролитов, так и водных растворов. Полученный комплекс математических зависимостей описывает процесс получения всех технологических параметров, характеризующих метод воздействия на поверхность детали.

В. П. СМОЛЕНЦЕВ, д-р техн. наук, А.В. КУЗОВКИН, д-р техн. наук, (ВГТУ)

Приложение. Справочник. Инженерный журнал, №9,2002 стр. 12-14

Статьи партнеров