Формирование качественных показателей поверхностного слоя деталей тна многокомопнентной рабочей средой

В статье рассмотрена проблема обеспечения качества поверхностного слоя сложнопрофильных деталей при комбинированной размерной обработке многокомпонентной рабочей.

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, корпусы различного назначения, характеризуются наличием сложного контура обрабатываемых поверхностей, сквозными и глухими криволинейными каналами c сечениями переменного профиля. Характерные условия эксплуатации таких деталей накладывают жесткие ограничения по точности поверхностей, величине 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. 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 эксплуатационных свойств. В-третьих, необходимо проводить размерную обработку локальных участков поверхности (удаление припуска и упрочнение) 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 создан метод электрохимикомеханической обработки (ЭХМО) с использованием твердого токопроводящего наполнителя, оборудование и средства технологического оснащения для его реализации. Этот метод позволяет обрабатывать сложнопрофильные и труднодоступные поверхности деталей из токопроводящих материалов, обеспечивая получение заранее заданных показателей качества таких поверхностей. Исследования в области ЭХМО с наполнителем были направлены на решение отдельных технологических задач по удалению заусенцев и скруглению острых кромок, удалению припуска и снижению шероховатости поверхности без повышения точности профиля деталей. Полученные ранее результаты не подвергались обобщению и анализу, что приводило к ограничению области технологического использования метода рамками безразмерного формирования поверхностного слоя детали. Это связано с тем, что создание размерного метода обработки с применением наполнителя представляет собой многофакторную задачу по определению характера влияния на формирование поверхностного слоя детали анодного растворения и пластического деформирования материала заготовки при воздействии на него рабочей струи двухкомпонентной среды. При этом характер обрабатываемых поверхностей и условия эксплуатации указанных деталей вызывают необходимость удаления припуска и повышения характеристик качества и точности поверхности на локальных, недоступных для традиционных инструментов, участках. В связи с этим сформулирована научная проблема, заключающаяся в повышении ресурса и долговечности ответственных узлов авиационной техники и нефтегазовой аппаратуры и расширении области технологического использования комбинированного метода электрохимикомеханической обработки с дискретным токопроводящим наполнителем. Данная проблема решается путем создания условий для размерного удаления материала и формирования показателей качества поверхности на ее локальных участках за счет определенного времени воздействия струи рабочей среды в зависимости от характеристик обрабатываемой поверхности, применяемых схем обработки и средств технологического оснащения процесса. Это позволяет сформулировать цель и задачи работы. Цель работы нами сформулирована как разработка условий размерного формообразования деталей в электролите с твердыми токопроводящими наполнителями по результирующему удалению припуска на локальных участках поверхности и интенсификация удаления материала детали и обеспечения качественных характеристик поверхностного слоя при различных схемах комбинированной обработки. К задачам работы относятся:

1. Раскрытие закономерности размерного формообразования поверхностного слоя детали в зависимости от заданных характеристик обрабатываемой поверхности и применяемых двухкомпонентных рабочих сред и разработать на их основе схемы реализации процесса повышения эксплуатационных свойств изделий.

2. Разработка методики определения временных интервалов обработки локальных участков поверхности, обеспечивающих получение на них заданных характеристик качества, и перемещения эффективного пятна двухкомпонентной рабочей среды по всей обрабатываемой поверхности в соответствии с картами припусков на обработку.

3. Разработка порядка проектирования оборудование, средств технологического оснащения и инструмента для осуществления размерной ЭХМО с токопроводящим наполнителем, которые обеспечивают повышение эксплуатационных свойств деталей сложного профиля, в соответствии со схемами реализации процесса и целями, решаемыми на этапе применения данного метода.

4. Создание методики проектирования технологического процесса размерного формообразования сложнопрофильных поверхностей с использованием токопроводящего наполнителя, основанную на рациональном выборе режимов обработки и обеспечивающую повышение качества деталей на этапе проектирования технологии.

5. Выработка технологических рекомендаций по применению метода размерной комбинированной обработки с наполнителем в промышленных условиях на основе апробации метода и внедрения его для изготовления сложнопрофильных деталей авиационной техники и нефтегазовой аппаратуры.

При проведении исследований авторами использовались основные положения электродинамики, основы теории электрофизикохимических методов обработки и технологии машиностроения. Построение математической модели и оптимизация уравнений для определения режимов обработки проведены на основе теории вероятности, математической статистики и теории оптимизации.

К основным научным результатам, полученными авторами следует отнести:

- элементы теории и метод размерного формообразования, основанного на комплексном воздействии в электрическом поле электрохимического растворения и дискретного твердого инструмента для обработки сложнопрофильных поверхностей, недоступных для инструмента с постоянной геометрией;

- обоснование влияния размерного комбинированного процесса обработки с наполнителем на изменение структуры поверхностного слоя детали, обеспечивающего подготовку поверхности под анодное удаление припуска и обеспечение заданных характеристик качества поверхности, способствующих повышению производительности метода и рационализации условий движения жидкостей в турбонасосных агрегатах;

- представление процесса размерного формирования поверхностного слоя детали в виде комплексной математической модели, которая устанавливает взаимосвязь между параметрами потока рабочей среды с твердыми дискретными элементами и геометрическими и физико-механическими свойствами обрабатываемых поверхностей деталей;

- методика определения времени обработки локальных участков поверхности детали с его динамической корректировкой в зависимости от формы поверхности детали, условий взаимодействия наполнителя с обрабатываемой поверхностью, динамических и геометрических характеристик потока и электрических параметров процесса анодного удаления припуска;

- обнаружение факта восстановления электрического заряда на поверхности токопроводящего наполнителя в пространстве между электродами за счет взаимодействия гранул между собой, позволившее обеспечить размерное удаление припуска с локальных участков на величинах межэлектродных промежутков, не используемых в традиционной размерной электрохимической обработке.

Практическая ценность исследований заключается в:

1. Создании процесса размерного формообразования деталей из токопроводящих материалов, позволившего расширить область технологического использования электрохимической обработки с твердым токопроводящим наполнителем на размерное формообразование труднодоступных для инструмента поверхностей различного профиля.

2. Осуществлении размерного формообразование деталей сложной геометрии с получением требуемых характеристик качества поверхностного слоя, что дает возможность повысить эксплуатационные характеристики изделий.

3. Создании технологических процессов размерного формообразования труднодоступных для цельного инструмента поверхностей, позволивших технологу машиностроителю расширить базу знаний по ЭХМО с твердым токопроводящим наполнителем.

4. Реализации технологического решения проблемы размерной обработки поверхностей деталей, расположенных под отрицательным углом к оси симметрии струи рабочей среды (патент России № 2166417) и тонкостенных деталей (патент России № 2072281).

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.9.047

Ю.С. Золототрубова