close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Технология комбинированной струйной размерной обработки сложнопрофильных поверхностей металлических деталей

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КОТУКОВ Василий Иванович
ТЕХНОЛОГИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ СТРУЙНОЙ РАЗМЕРНОЙ
ОБРАБОТКИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
Специальность: 05.02.07 – Технология и оборудование механической
и физико-технической обработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Воронеж – 2016
Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Воронежский государственный
технический университет»
Научный руководитель:
Официальные
оппоненты:
Кириллов Олег Николаевич,
доктор технических наук, доцент, профессор
кафедры «Технология машиностроения»
Бойко Анатолий Федорович,
доктор технических наук, доцент, профессор
кафедры «Технология машиностроения»,
ФГБОУ ВО «БГТУ им. В. Г. Шухова»;
Норман Анна Валерьевна,
кандидат технических наук, преподаватель
ГБПОУ ВО «ВАТ им. В.П. Чкалова»
Ведущая организация:
Донской
государственный
университет, г. Ростов-на-Дону
технический
Защита состоится 16 ноября 2016 г. в 16 00 часов в конференц-зале на
заседании диссертационного совета ДМ 212.037.04, созданного на базе
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
(ВГТУ), ФГБОУ ВО «Брянский государственный технический университет»
(БГТУ), ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ)
по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и
на сайте http://www.vorstu.ru/ ФГБОУ ВО «Воронежский государственный
технический университет».
Автореферат разослан «____» ___________ 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Кириллов О. Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. При размерной обработке сложнопрофильных
деталей возникают большие трудности в процессе формирования точных
переходных участков. К ним относятся скругления кромок лопаток
газотурбинных двигателей с большими углами закрутки, где используемый
строчечный метод обработки абразивными лентами затрудняет копирование
инструментом пространственно изменяющегося профиля, а при более точном
изготовлении таких участков узкими лентами резко снижается
производительность, точность детали и стойкость инструмента.
Кроме того, применяемые методы изготовления кромок и мест
сопряжения лопаток турбонасосных агрегатов весьма трудоемки и
нестабильны, т.к. такие участки труднодоступны для инструмента, и для
обеспечения требуемой точности профиля приходится применять
малопроизводительный ручной труд. Это сдерживает достижение требуемых
тактико-технических и эксплуатационных требований транспортной техники
новых поколений.
Струйные методы, к которым относится комбинированная
гидроабразивная обработка, позволяют перейти от строчечного метода с
последовательным формированием отдельных, в основном доступных для
инструмента
участков
детали,
к
точечному
дистанционному
формообразованию поверхностей любого профиля, а наличие электрического
поля открывает возможность полностью исключить шаржирование и
выполнять чистовые операции для деталей с любой геометрией, в том числе с
участками, скрытыми внутри изделия.
Современные конструкции наукоемкой транспортной техники содержат
большое количество высокоточных элементов, не имеющих прямого доступа
к ним металлорежущего инструмента, и создание новых технологических
способов и устройств для чистовой обработки таких деталей значительно
расширяет технологические возможности изготовителей перспективной
продукции машиностроения.
Рассматриваемое направление исследований является актуальным для
машиностроения, а его результаты будут востребованными всеми отраслями
промышленности.
Работа выполнялась по тематическим карточкам Росавиакосмоса в
соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» и научным направлением
Воронежского государственного технического университета по ГБ НИР №
2010 - 15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и
ракетно-космической технике».
Научная проблема заключается в научном обосновании, оценке
возможностей и развитии размерной комбинированной гидроабразивной
обработки сложнопрофильных металлических деталей с использованием
накопленной базы знаний по комбинированным процессам.
1
Целью работы является создание комбинированного процесса
гидроабразивной струйной обработки с обеспечением технологических
показателей чистового этапа изготовления для сложнопрофильных
поверхностей, в том числе с пространственной геометрией.
Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие
задачи:
1.
Раскрытие
механизма
локальной
чистовой
обработки
комбинированным
гидроабразивным
методом
сложнопрофильных
поверхностей деталей с произвольной геометрической формой.
2.
Установление
формальных
связей
между
геометрией
обрабатываемых участков и параметрами процесса для обеспечения точности
и качества поверхностного слоя, отвечающего требованиям чистовой
обработки сложнопрофильных поверхностей изделий.
3.
Разработка математического аппарата для перемещения струи при
чистовой обработке с обеспечением требуемых технологических показателей.
4.
Разработка рекомендаций по проектированию программ для
чистовой обработки переходных участков с целью автоматизации
технологической подготовки производства.
5.
Оценка
возможностей
и
перспективы
применения
комбинированного
метода
для
чистовой
струйной
обработки
сложнопрофильных поверхностей изделий перспективной наукоемкой
продукции машиностроения.
6.
Обоснование и создание патентозащищенных способов для
чистовой обработки сложнопрофильных поверхностей деталей.
Методология и методы исследований.
Методологической основой работы служат теория обработки деталей
несвязанными гранулами; теория подобия в механических системах;
принципы моделирования многофакторных технологических процессов;
закономерности механической и физико-технической обработки, в том числе
для комбинированных процессов с наложением электрического поля.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций.
Обоснованность и достоверность научных исследований, выводов и
рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается результатами
теоретических и экспериментальных исследований с использованием
стандартных методов и средств измерения, созданием экспериментального
целевого оборудования, положительными результатами обсуждения
основных положений работы и внедрением результатов.
Объекты исследования – сопрягаемые участки пространственносложных поверхностей типа лопаток газотурбинных двигателей, осевых и
радиальных колес турбонасосных агрегатов, процесс удаления припоя в
охлаждаемых элементах камер сгорания и реактивных сопел,
сложнофасонных участков деталей с ограниченным доступом инструмента в
зону обработки, в том числе из труднообрабатываемых материалов.
2
Научная новизна включает:
1.
Механизм дистанционного размерного удаления припуска с
созданием системы управления качеством поверхностного слоя и точностью
формообразования параметрами струи и свойствами гранул в электрическом
поле.
2.
Установление закономерностей взаимного влияния на точность
обработки геометрии заготовки и вектора действия струи, отличающихся
возможностью повышения стабильности процесса по сигналам обратной
связи в реальном масштабе времени о величине припуска на обрабатываемой
части сопрягаемого участка с любой геометрией пространственно-сложной
поверхности.
3.
Закономерности перемещения струи по сопрягаемому участку
пространственно-сложного сопряжения с учетом положения вектора
взаимодействия струи и угла ее поворота в зоне обработки.
Практическая значимость заключается в следующем:
1.
Создание способа чистовой комбинированной обработки
участков с произвольным изменением припуска на обработку переходных
участков, что позволяет повысить точность изготовления сложнопрофильных
поверхностей деталей, в том числе с ограниченным доступом инструмента в
зону обработки.
2.
Разработка рекомендаций по проектированию управляющих
программ для чистовой обработки сопрягаемых пространственно-сложных
элементов непрофилированным инструментом с несвязанными гранулами.
3.
Особенности
построения
методики
проектирования
комбинированного технологического процесса с учетом возможностей
выпускаемого и создаваемого оборудования для чистовой комбинированной
гидроабразивной обработки, в том числе для деталей, содержащих
труднодоступные для подвода инструмента сложнопрофильные участки, а
также изделий из материалов, трудно обрабатываемых абразивным
инструментом.
4.
Внедрение разработанного процесса в производство двигателей
летательных аппаратов, что позволило механизировать чистовую обработку
сложнопрофильных поверхностей, повысить точность переходных участков,
качество обработанной поверхности и ускорить освоение наукоемких
изделий нового поколения техники.
Личный вклад соискателя
Положения, выносимые на защиту, включают:
1.
Обоснование использования новых, на уровне изобретений,
способов и устройств, положенных в основу построения теоретических
зависимостей, технологических процессов получения точных сопрягаемых
поверхностей, в том числе на участках, слабо доступных и недоступных
металлообрабатывающему инструменту.
2.
Формализацию
связей
между
автоматизированным
перемещением струи при комбинированной гидроабразивной обработке и
3
возможностью повышения точности и качества поверхностного слоя
сопрягаемых поверхностей сложнопрофильных участков деталей.
3.
Разработку
рекомендаций
по
автоматизированному
проектированию технологии чистовой обработки труднодоступных участков
с переменным припуском, обеспечивающим механизацию чистовых
операций на сложнопрофильных элементах деталей.
4.
Проведение экспериментальных и внедренческих исследований
для реализации результатов на машиностроительных предприятиях. Процесс
внедрен в производство на Воронежском механическом заводе с реальным
экономическим эффектом, в НПП «Гидротехника».
Апробация работы:
Результаты работы и ее составные части представлялись и обсуждались
на следующих конференциях: 3-й международной научно-технической
конференции ССП-2010 (г. Воронеж, 2010 г.); 8-ой международной
конференции молодых специалистов организаций ракетно-космической,
авиационной и металлургической промышленности России (Королев, 2010
г.); ХII всероссийской научно-технической конференции и школе молодых
ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии» (АКТ-2011,
Воронеж, 2011); II молодежной научно-технической конференции
«Аэрокосмическая техника: исследования, разработки, пути решения
актуальных проблем», посвященной 65-й годовщине победы в Великой
Отечественной войне (Москва, 2010); XIX научно-технической конференции
молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию первого полета
человека в космос (Королев, 2011); молодежной научно-технической
конференции, посвященной 50-летию первого полета человека в космос
(Воронеж, 2011); XVII Макеевских чтениях – Российской научнотехнической конференции, посвященной 87-летию со дня рождения
академика Виктора Петровича Макеева (Воронеж, 2011); VII международной
научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и
техники» (Польша, Przemysl, 2011); V международной научно-практической
конференции «СТУДЕНТ. СПЕЦИАЛИСТ. ПРОФЕССИОНАЛ» (ССП –
2012), (Воронеж, 2012); XV международной научно-технической
конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии» «Технология-2012», посвященной 120-летию со дня рождения Н.Н.
Поликарпова (Орел, 2012); IV международной научно-технической
конференции «ТМ-2012» (Рыбинск, 2012); международной научнотехнической конференции «Управление качеством» (Москва, 2013); на 13-й
международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2014).
Диссертационная работа была заслушана в полном объеме на заседании
кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВО «Воронежский
государственный технический университет».
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы
прошли проверку в цехах ВМЗ – филиала ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева
и внедрены в серийное производство для двигателей космических изделий, а
также на НПП «Гидротехника» с общим экономическим эффектом около
4
миллиона рублей. Материалы проведенных исследований используются в
учебном процессе ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический
университет».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ
общим объемом 7,8 п. л., где соискателю принадлежит 2,8 печатного листа. В
их число входит 5 публикаций в изданиях по списку ВАК РФ, 2 патента, 1
монография.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце
автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] – модель импульсных
воздействий; [2] – анализ механизма воздействия струи на поверхность
металлов; [3] – механизм локализации воздействия струи; [4] – особенности
удаления покрытий импульсным воздействием; [5] – механизм формирования
геометрии переходных участков; [6] – специфика построения
технологического процесса при комбинированной гидроабразивной
обработке; [9] – принципы разработки состава рабочей смеси для
комбинированной гидроабразивной обработки; [10] – обеспечение точности
профиля при изготовлении пазов; [11] – обоснование технологических
режимов; [12] – механизм взаимодействия гранул; [13] – технология
комбинированной обработки; [14] – использование комбинированной
обработки непрофилированным электродом.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, выводов, приложений, списка литературы из 115 наименований.
Основная часть работы изложена на 170 страницах, содержит 64 рисунка, 10
таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы,
сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные
положения, вынесенные на защиту, показаны научная новизна и практическая
значимость результатов работы.
В первой главе проведен анализ исследований в области
гидроабразивной обработки с наложением электрического поля.
Анализ состояния исследований по рассматриваемой проблеме показал:
1.
Исследования по комбинированной гидроабразивной обработке с
наложением
электрического поля,
открывающие
принципиальную
возможность чистового формообразования, проводятся в основном научной
школой Воронежа, хотя гидроабразивное разделение освоено в
промышленности Москвы, Санкт-Петербурга, Казани, Уфы, Тулы, Орла,
Ростова-на-Дону, Рыбинска, Саратова, Самары, Новосибирска и других
городов России, а также в Германии, США, Японии, Швеции, Англии, Китае
и ряде других стран. Таким образом, следует признать, что развитие
комбинированной гидроабразивной обработки с охватом процессов чистового
формообразования заметно расширяет технологические возможности
машиностроения, и рассматриваемое направление исследований является
5
оригинальным и перспективным, а поставленная в работе цель представляет
интерес для предприятий страны и зарубежья.
2.
Анализ доступных публикаций по тематике работы показал, что
вопросы
чистовой
комбинированной
гидроабразивной
обработки
практически не отражены в технической отечественной и переводной
литературе, хотя принципиальная возможность эффективной реализации
метода показана учеными и специалистами Воронежа, в том числе с участием
соискателя. Поэтому вполне обоснованной является задача реализации новых
технологических процессов и устройств, с появлением которых становится
возможной
чистовая
обработка
сложнопрофильных
поверхностей
металлических деталей. При этом известный научный задел с учетом новых
способов и устройств в этой отрасли достаточен для создания средств
технологического обеспечения исследований по тематике работы.
3.
Имеющиеся литературные материалы и опыт применения
комбинированной гидроабразивной обработки не сформировали процедуры
управления качеством поверхностного слоя при такой обработке, поэтому
требуются теоретические исследования по разработке математического
аппарата по установлению закономерностей между контурами любой
сложности обработки с расчетными и назначаемыми параметрами
комбинированного процесса.
4.
Имеющаяся научная база не затрагивает вопросов создания
программ, пригодных для автоматизации проектирования комбинированных
процессов с применением электрического поля, оказывающего значительное
влияние на состояние
абразива в струе и возможность стабильного
обеспечения качества сложнопрофильных поверхностей. Поэтому требуется
создать аппарат описания профиля зоны чистовой обработки с учетом
влияния на процесс электрического поля.
5.
Комбинированная гидроабразивная чистовая обработка находится
на стадии освоения, и для ее широкого применения требуется техникоэкономическая оценка эффективности, пригодная для сложнопрофильных
поверхностей деталей, в качестве которых выступают переходные участки с
затрудненным доступом инструмента, используемого для механической
обработки. Это, в первую очередь, относится к лопаточным машинам
авиакосмической техники.
Анализ состояния вопроса дал возможность обосновать цель и задачи
работы, приведенные во введении.
Во второй главе рассмотрено технологическое обеспечение и методы
решения поставленных задач.
Для достижения поставленной цели выдвинуты следующие научные
гипотезы:
1.
Как показано в работах, ранее выполненных с участием
соискателя, при комбинированной обработке происходит эффективная
очистка гранул абразивного материала и восстановление его режущих
свойств. Это позволяет использовать при чистовой обработке доступные и
дешевые абразивные материалы типа крошки отбеленного чугуна, добавлять
6
в рабочую среду токопроводящие гранулы, в том числе не обладающие
абразивными свойствами, создавать новые виды абразива, в том числе
пустотелые, с металлическим покрытием, которое может снижать режущие
свойства гранул, но при комбинированной чистовой обработке обеспечивать
требуемую интенсивность съема припуска.
2.
При установлении связей между параметрами комбинированного
процесса и геометрией детали на чистовом этапе обработки в качестве
объекта исследований выступают параметры точности формообразования
сложнопрофильных поверхностей, а другие значимые параметры, такие как
качество поверхностного слоя, производительность, экономические факторы,
обеспечивают ограничения по области использования комбинированной
чистовой гидроабразивной обработки.
3.
Независимо от геометрической формы обрабатываемой
поверхности траекторию перемещения точки воздействия струи можно
формализовать синтезом перемещений детали с переносной и относительной
скоростью, которые связаны с геометрией обрабатываемой поверхности и
режимами обработки в реальном масштабе времени.
4.
Влияние на режимы комбинированной обработки твердых
токопроводящих гранул малых размеров в рабочей среде аналогично
воздействию газообразных продуктов обработки и подчиняется общим
закономерностям для проектирования электрических параметров процесса.
5.
В выполненных ранее исследованиях струя жидкости с абразивом
рассматривалась как транспортер обрабатывающих гранул без учета
вторичных перемещений струи, влияющих на точность и качество
поверхностного слоя и определяющих пригодность комбинированного
метода для чистового формообразования, особенно сложнопрофильных
деталей, где вектор действия и границы струи постоянно изменяют
положение. Накопленная по этому вопросу база знаний позволяет
формализовать технологические связи в реальном масштабе времени между
геометрией зоны обработки, параметрами струи и характеристиками
электрического поля, что может повысить точность и улучшить качество
поверхностного слоя до уровня, требуемого для чистовой обработки
сложнопрофильных деталей наукоемкой техники нового поколения.
В главе раскрыта производственная база для выполнения
экспериментальных исследований. Она включает модернизированное под
комбинированную обработку опытное и серийное оборудование,
исследовательскую базу машиностроительных заводов, вычислительную
технику предприятий, КБ и вузов.
Обоснован уровень научной базы, сложившейся в основном на базе
изобретений ученых и специалистов Воронежа, а также научных основ
теории подобия в технологических системах.
Разработана и представлена в форме алгоритма методика решения
поставленных задач и достижения поставленной цели.
7
В третьей главе рассмотрен механизм размерной чистовой
комбинированной гидроабразивной обработки.
Применительно к чистовой обработке наложение электрического поля
позволяет обеспечить требуемую точность профиля детали и качество
поверхностного слоя. Это управление границей сечения струи, режимами
электрической составляющей комбинированной обработки, устранение
шаржирования, особенно вязких, в том числе жаропрочных, материалов,
снижение шероховатости поверхности.
Рис. 1. Схема комбинированной гидроабразивной обработки: 1 – сопло
для подачи рабочей среды; 2 – струя рабочей среды; 3 – обрабатываемая
деталь (анод); 4 – источник постоянного тока; 5 – канал подвода
токопроводящих гранул и жидкости (при необходимости); Lc - длина струи;
α - угол атаки струи
На рис. 1 приведена схема комбинированной гидроабразивной
обработки, где объектом исследования являются параметры электрического
поля и струи.
Длина нераспавшейся части струи с четкими границами,
обеспечивающими требуемую точность сопряжения сложнопрофильных
поверхностей, рассчитывается по формуле (1).



Lн  K н d г 1 





1
 vc2 Dc  с

с
Dc  c c 
c 
,
где Kн- численный коэффициент, учитывающий свойства рабочей среды;
d г - эквивалентный диаметр гранул абразива, мм;
Dc - диаметр сопла на срезе форсунки, мм;
3
 c - средняя плотность рабочей среды в струе, кг/м ;
 c - коэффициент поверхностного натяжения рабочей среды, Н/м;
 c - коэффициент динамической вязкости рабочей среды, Па·с.
8
(1)
vc - средняя скорость рабочей среды в струе, м/с;
Условием размерной обработки является
(2)
Lc < Lн .
Здесь расстояние от среза сопла форсунки до места обработки
заготовки определяется по чертежу детали.
Для управления размерным съемом под действием струи с твердым
абразивом необходимо установить половину угла распыла струи, который
зависит от давления струи Pc
Pc 
Qc c v1 2  Qc cv2 2  sin  ,
(3)
где Q с - объемный расход рабочей среды, м3/с;
 с - плотность среды, г/см3;

v1 - скорость струи до встречи с обрабатываемой поверхностью;
v2 - скорость потока после удаления от места обработки;
 - угол атаки, град.
Для обеспечения условий получения параметров чистовой обработки
необходимо установить величину напряжения U, подаваемого на струю и
назначить силу тока I, требуемого для протекания анодного процесса


j кр Lс

U 
3 с
1 
 2   с  0,394 с10 / 3


 1
 0 ,


(4)
где j кр - критическая величина плотности тока, выше которой возможно
анодное удаление металла;
Lc - расстояние от среза сопла до точки обработки;
 с - степень заполнения электролита токопроводящими частицами;
 0 - удельная электропроводность рабочей среды перед началом
обработки (замеренная).
Ток I, поступающий в зону обработки при эквивалентном r радиусе
гранулы:
 U
 Lc
U
 n
I  

,
 2 k 1 r  2 r   2k   2 Rп  L0
(5)
U - напряжение на электродах, В;
k - коэффициент, учитывающий отношение удельного сопротивления
электролита к такому же показателю для материала гранул;
ρ1 - удельное сопротивление жидкости в струе;
ρ2 - удельное сопротивление материала гранулы;
Rn - переходное сопротивление при протекании тока от электролита к
грануле;
n  f d г , l  - количество гранул на длине Lc;
Lc - расстояние от среза сопла до точки обработки;
где
9
L0 - расстояние от среза сопла до заготовки по оси струи при настройке.
Если принять, что скорость удаления припуска ( vп ) под действием
абразивных гранул зависит от параметров электрического поля и расстояния,
0. 3
(6)
,
v п  K э v н Lc
где Kэ - коэффициент, учитывающий время возрастания скорости съема
припуска при снятии измененного слоя за счет анодного растворения
заготовки в зоне обработки. Для стальных деталей Kэ = 1,3 - 1,5;
vн - скорость съема припуска на ближайшем к соплу обрабатываемом
участке заготовки. Рассчитывается аналогично закону анодного растворения
для неподвижных электродов.
С учетом закономерностей съема припуска можно установить время,
необходимое для получения конечного профиля детали с заданными
показателями по точности и качеству поверхностного слоя.
В четвертой главе приведено математическое описание траектории
струи при комбинированной гидроабразивной чистовой обработке
сложнопрофильных участков деталей. Приведенный в главе 3 механизм
удаления припуска позволяет спроектировать автоматизированную систему
перемещения струи, обеспечивающую заданную точность при чистовой
обработке сопрягаемых поверхностей произвольной формы. В основе
системы лежит математическое описание перемещения струи, при котором
ее границы находятся на обрабатываемом участке, а переменный съем
материала (при условии обеспечения требуемого качества поверхностного
слоя детали) обеспечивается изменением положения (как правило, углом
атаки) струи. В случае малой ширины участка сопряжения (кромки) ось
струи должна находиться на линии симметрии сопрягаемого профиля с
координатами, которые могут задаваться также точками X ij, Yij , Zij.
Для обеспечения сопряжения пространственных поверхностей в
качестве управляющего параметра используется закон изменения скорости
съема припуска от угла атаки.
Обработка струей произвольной поверхности возможна, если управлять
всеми перемещениями в реальном масштабе времени.
При перемещении струи вдоль L-L (рис. 2) следует обеспечить
управление ее вектором по минимальному количеству управляющих
параметров.
Разработана методика расчета шага перемещения на строку и
нахождения координат точки обработки с учетом радиуса Rc струи в точке
контакта:
 R 2 xx cos R 2  z sin  
X  1  c
 c x x 1 / 2  x;
2 3/ 2
1  z x
1  z x2


Y  Rc   x cosx;





R z x z xx cos Rc x sin  
Z   zx  c

x
3/ 2
1/ 2 
1  z x2
1  z x2




10


,
(7)
где ά - угол наклона обрабатываемой поверхности относительно оси струи;
x, y, z  - изменение координат оси струи за счет вариации скорости
перемещения точки соприкосновения по строке с криволинейной
образующей (первая производная);
x, y, z- изменение координат оси струи за счет вариации ускорения при
обработке участков поверхности различной кривизны (вторая производная
по указанной оси);
zxx - показывает, что рассматриваются перемещения по оси х при
дифференцировании по скорости и ускорению.
Рис. 2. Схема перемещения струи
при обработке сложнопрофильных
поверхностей: m – точка контакта
струи с обрабатываемым участком;
M – срез сопла для подачи рабочей
среды; L-L, В-В – образующие
обрабатываемой поверхности; N, П,
N1 – плоскости в зоне обработки
Более сложным является вариант обработки поверхности, заданной
координатными точками. К ним относятся лопатки двигателей с большой
закруткой и их кромки.
Если угол наклона касательной к профилю детали в точке контакта α
постоянный, то по аналогии с механической обработкой таких поверхностей
положение точки на обрабатываемом участке детали можно представить в
виде
X i, j 
xi , j Rc cos i , j
 i1, j   i , j
 1 
2
i 1, j

 1   2i, j ;
где i 1  угол на последующей строке;
Yi , j  yi ;
Z i , j   i xi , j  y j tg i  Di , j
,
(8)
где Di , j  d i , j  Rc cos i 1   i2, j . Здесь Di,j - дивергенция (расходимость) струи на
срезе сопла вдоль координат; di,j - дивергенция в точке обработки, которая
перемещается по строке с единичными векторами i, j.
С учетом полученных закономерностей проведен анализ возможных
траекторных перемещений струи при комбинированной чистовой
гидроабразивной обработке на примерах сложнопрофильных поверхностей,
11
где типовым объектом является профиль кромки пера и переходного участка
лопатки реактивных двигателей, ТНА ракетных двигателей и других
лопаточных машин. Анализ показал, что рассматриваемый процесс наиболее
эффективен для изделий с ограниченным доступом инструмента, где
струйный метод имеет значительные преимущества.
В пятой главе приведена технология комбинированной чистовой
обработки применительно к сложнопрофильным поверхностям, в том числе
для участков с ограниченным доступом инструмента в зону обработки.
На базе теоретических положений, полученных в предшествующих
разделах,
обоснованы
диапазоны
технологических
режимов,
предназначенных для подачи тока при комбинированной чистовой обработке
деталей со сложным профилем, найден коэффициент (kr) для определения
наружной границы контура струи и включен ограничитель зоны обработки
для проектирования программы по методике, приведенной в главе 4.
k Г  2,5 - 3,0.
Принимая dстр
близким к стабильной величине kr , можно найти
диаметр струи
dстр  k Г  d с ,
где d с - диаметр сопла.
Исследования показали, что диаметр струи не изменяется при
наложении электрического поля. Это позволяет воспользоваться
приведенными расчетами для установления точности комбинированной
обработки.
Для оценки точности комбинированной обработки приведены
результаты (рис. 3) для сопряжения профиля спинки лопатки ракетного
двигателя.
Рис. 3. Геометрическая погрешность скругления детали относительно
теоретической границы струи в зависимости от расстояния до среза сопла.
Давление струи: 1 – 300 МПа; 2 – 415 МПа (напряжение 300 В); 3 – 300 МПа
(напряжение 100 В)
12
Видно (рис. 3), что повышение давления струи (кривая 2) существенно
снижает (до 3 - 4 раз) погрешность сложнопрофильного участка (например,
сопряжения), где расстояние от среза сопла, как правило, невелико (до 10 - 15
мм), и погрешность, получаемая при комбинированной обработке,
укладывается в допуск на профиль большинства сопрягаемых поверхностей.
Получены зависимости для назначения перемещения струи,
позволившие учесть реальный профиль зоны обработки и его изменение в
реальном масштабе времени.
Предложена методика проектирования электрической составляющей
комбинированного процесса чистовой обработки сложнопрофильных
поверхностей, что позволило расширить область использования такого
процесса на перспективные наукоемкие изделия, в частности, в авиационной,
космической отраслях, где широко используются сложнопрофильные изделия
с недоступными участками или труднодоступными элементами для
традиционного инструмента.
Показаны возможности повышения эксплуатационных показателей
комбинированной обработки, и обоснована возможность их использования в
качестве чистовых операций при формировании сложнопрофильных
поверхностей изделий, в том числе из труднообрабатываемых сплавов.
На рис. 4 приведены показатели Ra по длине зоны обработки для
гидроабразивной резки (а) и комбинированного струйного чистового
процесса (б).
Анализ рис. 4 показывает, что по мере снижения скорости перемещения
струи шероховатость заметно снижается. Со снижением обрабатываемости
материала
(сталь
относительно
алюминиевого
сплава)
высота
микронеровностей уменьшается (до 20 - 25 %), особенно в случае снижения
скорости перемещения струи по поверхности заготовки. Незначительное
уменьшение шероховатости на удалении от сопла на 20 - 30 мм можно
объяснить рассеиванием результатов измерений (8 - 10 %), а рост
микронеровностей на удаленных участках – снижением энергии струи и
соударениями гранул, имеющих различную скорость перемещения в струе.
Для сталей необходимо по требованиям заказчика обеспечить после
обработки высоту неровностей Ra =2,5 мкм, чего не всегда удается достичь
при гидроабразивной обработке (рис. 4, а). Сравнение результатов измерений
(рис. 4, а и б) показывает, что анодное удаление вершин микронеровностей
позволяет достичь шероховатости Ra = 1,6 мкм, удовлетворяющей
требованиям к чистовой обработке сложнопрофильных поверхностей деталей
из специальных сплавов.
13
а)
б)
Рис. 4. Шероховатость стенок (а) паза, поверхностей скругления (б)
после гидроабразивного разделения материала (сплошные линии) и после
комбинированной обработки (пунктир) (1 – алюминиевый сплав (+++); 2 –
медный сплав (ххх); 3 – нержавеющая сталь). Напряжение 300 В. Давление
струи 415 МПа. Расстояние от среза сопла до детали – 5 мм; скорость
перемещения струи: а) 30 мм/мин; б) 4 мм/мин; 4 – алюминиевый сплав
(напряжение 200 В); 5 – сталь (напряжение 100 В)
Раскрыты пути дальнейшего использования результатов исследований,
что позволяет использовать материал в различных отраслях машиностроения
и закладывает базу для развития научных изысканий в области
комбинированных методов обработки.
Разработаны и запатентованы новые способы, созданные на базе
теоретических и прикладных исследований, приведенных в работе.
14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Создан комбинированный процесс чистовой гидроабразивной
обработки с наложением электрического тока для сложнопрофильных
поверхностей произвольной геометрической формы, в том числе на участках,
недоступных или труднодоступных металлообрабатывающему инструменту
при изготовлении деталей из труднообрабатываемых сплавов. Доказана
возможность использования в комбинированной чистовой обработке
доступного и дешевого абразивного материала или абразива с
токопроводящим покрытием, что ранее не использовалось при
гидроабразивной обработке. Достигнута стабильная точность 6 - 8 квалитета
при шероховатости поверхностного слоя для сталей менее 1 мкм, что
обеспечивает качественную чистовую обработку деталей и переходных
участков с профилем любой пространственной геометрии.
Общие выводы
1.
На базе теории подобия для технических систем создан механизм
размерной комбинированной гидроабразивной обработки с наложением
электрического поля, устраняющий ограничения процесса по достижению
показателей по точности и качеству поверхностного слоя, требуемых для
чистового этапа изготовления металлических изделий.
2.
Обоснованы
и
сформированы
пути
реализации
комбинированного процесса при изготовлении сложнопрофильных деталей с
произвольной формой обрабатываемой поверхности, в том числе из
труднообрабатываемых сплавов и элементов конструкций с ограниченным
доступом металлорежущего инструмента к зоне формообразования.
3.
Обоснованы режимы комбинированной обработки, где
рекомендуется использовать слабопроводящие рабочие среды с удельной
проводимостью 0,004 - 0,006 (Ом×мм)-1, напряжение 200 - 300 В, скорость
перемещения струи до 200 мм/мин.
4.
Установлены закономерности, определяющие связи между
технологическими показателями размерной чистовой комбинированной
обработки и положением обрабатываемых поверхностей, что создало базу
для проектирования автоматизированных технологических процессов,
осуществляемых на современном оборудовании по создаваемым программам
выполнения операций для сопряжения элементов обрабатываемых деталей с
произвольной геометрией сопрягаемых участков.
5.
Приведено научное обоснование для назначения положения сопла
относительно зоны обработки и доказано, что глубину обработки при
чистовом процессе целесообразно ограничить 40 - 60 мм, при которой
возможно получение точности сопряжения до 6 - 8 квалитета.
6.
Проведена модернизация оборудования под комбинированную
размерную гидроабразивную обработку сложнопрофильных поверхностей с
использованием высокого напряжения электрического поля. В результате
экспериментов доказано, что для большинства применяемых сплавов
15
напряжение поля, подаваемого на гранулы, должно находиться в диапазоне
100-300 В.
7.
Установлена связь между воздействием электрического поля,
подаваемого на абразив, и технологическими показателями процесса, что
дало возможность рекомендовать для использования в качестве инструмента
токопроводящих материалов типа крошки отбеленного чугуна, которая ранее
считалась неперспективной для гидроабразивной обработки, хотя и является
экономически выгодной и доступной.
8.
Показана
возможность
применения
для
чистовой
комбинированной обработки металлизированных абразивных гранул, в том
числе пустотелых, при нанесении на них токопроводящих слоев на величину
выступания зерна.
9.
Рассмотрена и реализована динамика удаления загрязнений в
процессе обработки за счет анодного процесса, протекающего в период
перемещения гранул от среза сопла до места обработки, что позволило
достигнуть наиболее эффективного резания очищенным абразивом в течение
всего периода чистовой обработки и дало возможность создать способ
управления процессом по регулированию расстояния между срезом сопла и
местом удаления припуска.
10. Доказана эффективность комбинированного процесса при
размерной обработке сложнопрофильных деталей, что позволило определить
область рационального использования результатов исследований в
отечественном машиностроении и создать базу для разработки новых
способов, которые могут составить предмет изобретений, востребованных в
стране и за рубежом.
11. Основные результаты работы подтверждены в процессе
внедрения технологии на крупных машиностроительных предприятиях при
изготовлении лопаток турбин и компрессоров, турбонасосных агрегатов,
изделий нефтехимии, станков, на что получены акты внедрения. Материалы
диссертации приняты к внедрению для использования в перспективных
конструкциях создаваемых летательных аппаратов, в том числе космических
систем «Ангара» и «Русь».
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих
работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Сафонов, С. В. Технология импульсно-вибрационной очистки
прецизионных литых деталей [Текст] / С. В. Сафонов, В. П. Смоленцев, А.
Ю. Рязанцев, В. И. Котуков // Вестник Рыбинского государственного
авиационного технического университета имени П. А. Соловьева. - Рыбинск:
РГАТУ, 2014. - Вып. 1 (28) - С. 40 - 44.
2. Кириллов, О. Н. Повышение качества поверхностного слоя деталей
гидроабразивной обработкой с локальным анодным растворением [Текст] / О.
16
Н. Кириллов, Е. В. Гончаров, В. И. Котуков // Вестник Воронежского
государственного технического университета. - 2013. – Т. 9.- № 6.1.- С.64 - 66.
3. Кириллов, О. Н. Комбинированное гидроабразивное с локальным
электрохимическим растворением удаление заусенцев [Текст] / О. Н.
Кириллов, Е. В. Гончаров, В. И. Котуков // Вестник Воронежского
государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. - №1.- С. 24 - 26.
4. Сафонов, С. В. Поддержание качества поверхностного слоя изделий
в процессе их очистки от загрязнений [Текст] / С. В. Сафонов, В. П.
Смоленцев, В. И. Котуков // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2014. - № 7. - С. 21 - 23.
5. Кириллов, О. Н. Механизм формирования геометрии переходных
участков при комбинированной обработке [Текст] / О. Н. Кириллов, В. П.
Смоленцев, В. И. Котуков // Вестник Воронежского государственного
технического университета. - 2016. - Т. 12. - №3. - С. 71 - 76.
Монография:
6. Смоленцев, В. П. Комбинированное разделение заготовок
гидроабразивным методом [Текст]: монография / В. П. Смоленцев, Е. В.
Гончаров, В. И. Котуков. – М.: Прогрессивные машиностроительные
технологии, оборудование и инструменты. Спектр, 2014. – Т. 3.- С. 118 - 172.
Патенты РФ:
7. Пат. 2581537 Российская федерация, МПК7 В23Н 9/06. Способ
электрохимического маркирования и устройство для его осуществления
[Текст] / Смоленцев В. П., Кириллов О. Н., Котуков В. И., Юхневич С. С.;
заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО "Воронежский государственный
технический университет". - № 2014117426/02; заявл. 29.04.2014; опубл.
20.04.2016, Бюл. № 11. - 3 с.
8. Пат. 2581538 Российская федерация, МПК7 В23Н 3/00. Способ
изготовления шаблона [Текст] / Смоленцев В. П., Кириллов О. Н., Котуков В.
И., Скрыгин О. В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО
"Воронежский государственный технический университет". - №
2014117428/02; заявл. 29.04.2014; опубл. 20.04.2016, Бюл. № 11. - 4 с.
Статьи и материалы конференций:
9. Кириллов, О. Н. Комбинированное гидроабразивное формирование
объемных поверхностей с наложением электрического поля [Текст] / О. Н.
Кириллов, Е. В. Гончаров, В. И. Котуков // Авиация и космонавтика 2014: 13я междунар. конф. – М.: МАИ, 2014.- С. 141 - 143.
10. Котуков, В. И. Ресурсосберегающее комбинированное гидроабразивное разделение заготовок из специальных материалов [Текст] / В. И.
Котуков, Е. В. Гончаров // Конструктивные особенности и технология
изготовления деталей ракетных двигателей нового поколения / Под ред. И. Т.
Коптева, В. П. Смоленцева. - Воронеж: ВМЗ, 2014. – С. 184 - 189.
17
11. Гончаров, Е. В. Выбор режимов комбинированного процесса
гидроабразивной обработки заготовок [Текст] / Е. В. Гончаров, О. Н.
Кириллов, В. И. Котуков // Современные технологии производства в
машиностроении: сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, - 2015.- Вып. 9.- С. 68 - 73.
12. Смоленцев, В. П. Механизм импульсных взаимодействий твердых
тел при комбинированной обработке [Текст] / В. П. Смоленцев, А. В.
Гребенщиков, С. С. Юхневич, В. И. Котуков // Обеспечение качества
продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки
производства: сб. научн. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2014. - № 13. - С. 12 - 18.
13. Смоленцев, В. П. Проектирование технологических режимов и
комбинированных
процессов
с
низкочастотными
импульсными
воздействиями [Текст] / В. П. Смоленцев, А. В. Гребенщиков, С. С. Юхневич,
В. И. Котуков // Современные технологии производства в машиностроении:
сб. научн. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2014. - № 8. - С. 18 - 27.
14. Смоленцев, В. П. Восстановление геометрии изделий
непрофилированным электродом [Текст] / В. П. Смоленцев, О. Н. Кириллов,
В. И. Котуков // Управление качеством: междунар. науч.-техн. конф. М.:
Университет машиностроения, 2013. - С. 124 - 128.
Подписано в печать ___.___.2016 г.
Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л. 1,2. Тираж 80 экз. Заказ №______
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
394026 г. Воронеж, Московский просп., 14
18
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа