автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Абразивно-экструзионное улучшение качества внутренних поверхностей каналов после электроэрозионной обработки в деталях летательных аппаратов

КД - конструкторская документация;

ЛА - летательный аппарат;

МЭЗ - межэлектродный зазор;

НЛ - нитролигнин;

ПАВ - поверхностно - активное вещество; ПФЭ - полный факторный эксперимент; РС - рабочая среда;

СКТ - синте тический кремнийорганический каучук твердый

СОЖ - смазочно-охлаждающая жидкость;

УЭШ- установка экструзионного шлифования;

ЭП - электрополирование;

ЭХО - электрохимическая обработка;

ЭЭО - электроэрозионная обработка.

Содержание

Введение.

Глава 1. Анализ состояния разработок в области обеспечения качества поверхности сложных каналов в деталях ЛА, выполненных электроэрозионной обработкой (ЭЭО).

1.1. Анализ конструктивных особенностей деталей с каналами, выполненными ЭЭО.

1.2. Влияние электроэрозионной обработки на состояние поверхностного слоя

1.3. Методы повышения качества поверхностного слоя в каналах.

1.4. Анализ состояния теоретических разработок процесса резания при АЭО.

1.5. Анализ существующей технологии АЭО и конструкций устройств для ее реализации.

1.6. Выводы. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Теоретические основы процесса взаимодействия рабочих сред с поверхностью канала при абразивно-экструзионной обработке.

2.1. Многокритериальная оптимизация процесса АЭО.

2.2. Оптимизация затрат при АЭО деталей.

2.3. Взаимодействие абразивного "жгута" с поверхностью канала.

2.4. Взаимодействие единичного абразивного зерна в зоне контакта с обрабатываемой поверхностью.

2.5. Теоретические предпосылки взаимосвязи реологии РС с контактными явлениями при взаимодействии абразивного зерна с поверхностью обработки.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Исследование влияния рабочих смесей на производительность абразивно-экструзионной обработки.

3.1. Обоснование необходимости выбора РС.

3.2. Способы получения нитролигнина.

3.3. Исследование процессов получения нитролигнина прямым нитроокислением гидролизного лигнина меланжем АК-27И на лабораторной установке.

3.4. Исследование процесса разделения лигнина.

3.5. Исследование влияния поверхностно-активных веществ на процесс микрорезания при абразивно-экструзионной обработке.

3.6. Технология приготовления абразивных смесей на основе нитролигнина.

Выводы к главе 3.^.

Глава 4. Моделирование процесса абразивно-экструзионной обработки на лабораторных и опытно-промышленной установках.

Разработка рекомендаций.

4.1. Исследование процесса абразивно-экструзионной обработки на лабораторных установках.

4.2. Исследование процесса абразивно-экструзионной обработки на опытно-промышленной установке.

4.3. Разработка рекомендаций по использованию результатов исследования для обработки деталей с каналами после ЭЭО.

Выводы к главе 4.

Преждевременное разрушение деталей летательных аппаратов (ЛА) носит усталостный характер, вызванное высокими циклическими напряжениями изгиба и кручения от воздействия газового и гидравлического потока. С увеличением продолжительности эксплуатации вероятность выхода изделия из строя возрастает. В ЛА широко используют детали из труднообрабатываемых материалов с каналами сложного профиля, расположенными в труднодоступном для традиционных методов обработки месте. Поэтому они формируются, в основном, электроэрозионной обработкой (ЭЭО). Поверхностный слой после ЭЭО имеет литую структуру, образующуюся при кристаллизации жидкого металла в зоне электрического разряда. Условия быстрого охлаждения приводят к появлению внутренних напряжений. Под оплавленным слоем с литой структурой наблюдается изменение состояния границ зерен основы с образованием микротрещин. Поверхность каналов имеет дефектный слой толщиной 100. 300 мкм с измененной структурой, внутренними напряжениями и микротрещинами.

Основное влияние на сопротивление усталости деталей в ЛА оказывает качество поверхностного слоя (ПС), сформированного на последней стадии обработки. Установленные требования КД к качеству поверхности труднодоступных каналов занижены из-за недостаточного использования современных технологических методов.

Наиболее производительной и эффективной для снятия дефектного слоя с поверхности труднодоступных каналов является абразивно-экструзионная обработка (АЭО), основанная на перепрессовании абразивных смесей через труднодоступные и пространственно расположенные каналы с использованием в качестве носителя синтетического каучука.

В диссертационной работе рассмотрены основные проблемы, возникающие при АЭО каналов в деталях ЛА, а также применяемые модели процессов течения РС и микрорезания массовым и единичным абразивным зерном. Модели процесса резания в работах, посвященных АЭО, основаны на общих законах микрорезания отдельным абразивным зерном при шлифовании, разработанных Богомоловым Н.И., Масловым E.H., Хрущевым М.М., Бабичевым М.А., Пак-леник В. и др., и не учитывают в полной мере особенности АЭО.

Условия течения абразивного «жгута» по каналу рассмотрены на основе теории течения нейьютоновских жидкостей, разработанной Р. Уилксоном, Р.В. Торнером и др., где определяются размеры «ядра» потока, скорость PC, пластическая вязкость и т.п., то есть параметры, которые не имеет непосредственной связи с процессами взаимодействия единичного A3 с поверхностью обработки.

В процессе АЭО изменяются условия взаимодействия активных A3 с обрабатываемой поверхностью в результате накопления теплоты в рабочей среде, поэтому условия закрепления зерна в абразивном «жгуте» при использовании PC на основе каучука также изменяются, вызывая прекращение процесса резания-оттеснения металла. В этой связи рабочие смеси, применяемые при АЭО, имеют небольшую производительность и высокую стоимость.

СИБНИИТМ и CAA разработали установки типа УЭШ (с диаметрами рабочих камер 20,80, 100, 150, 250, 350, 600, 700 мм) для АЭО каналов в деталях JIA, но в производствах отрасли используются мало в связи с тем, что до настоящего времени отсутствуют рекомендации по их применению.

Из вышеизложенного следует, что тема настоящей работы, посвященная повышению качества деталей JIA с использованием АЭО, является актуальной.

В главе 2 показано, что основной задачей, поставленной в диссертационной работе, является разработка модели процесса АЭО, основанной на взаимосвязи процессов течения сжатой под давлением рабочей среды и резания-оттеснения единичным абразивным зерном контактной поверхности.

Изучен механизм взаимодействия микровыступов активного абразивного зерна с поверхностью обрабатываемого канала. Расчеты показали, что при максимальных размерах активного абразивного зерна и максимальном давлении в гидравлическом потоке РС не возможно не только резание, но и оттеснение материала. Поэтому выдвинута гипотеза о существовании в абразивном «жгуте» взаимодействия абразивных зерен, формирующихся в комплексы, непосредственно связанные с «ядром» потока РС и увеличивающие степень закрепления абразивного зерна на поверхности канала.

Разработаны новые аналитические зависимости для расчета сил резания-пластического оттеснения из условия взаимодействия микровыступов АЗ, имеющих тупые углы при его вершине, с контактной поверхностью.

На основе теоретических разработок предложена методика для изучения процесса контактного взаимодействия активного АЗ и материала поверхности канала, которая предполагает моделирование процесса резания-оттеснения единичным АЗ, экспериментальное определение сил резания-оттеснения и глубин царапин при перемещении индентора по поверхности образцов и сравнение с глубиной царапин на образцах, обработанных АЭО. На сравнении моделей процесса контакта зерно-поверхность предложено определять силы резания-оттеснения и силы трения в зависимости от режимов АЭО.

Глава 3 посвящена исследованию влияния составов РС на производительность АЭО. Обоснована необходимость разработки новых составов РС. Проведены исследования процессов получения нитролигнина прямым нитроокисле-нием гидролизного лигнина меланжем АК-27И на лабораторной установке. Разработана и изготовлена лабораторная установка для разделения сырья - гидролигнина на фракции. Исследован процесс разделения исходного лигнина и получены эмпирические зависимости размера частиц от режимов обработки установки. Выполнена сравнительная оценка поверхностно-активных веществ (ПАВ) по глубине резания на машине резания МР-1. Для повышения эффективности смеси в ее состав рекомендовано добавлять 5% нитрата натрия.

Глава 4 посвящена моделированию процесса абразивно-экструзионной обработки на лабораторных и опытно-промышленной установках.

Экспериментальные работы выполнены в лаборатории экструзионного шлифования САА с использованием существующего комплекса оборудования и измерительных приборов, а также созданием лабораторного оборудования для исследования процесса резания -оттеснения единичным абразивным зерном.

Разработана программа для математической обработки результатов экспериментов, выполненных в настоящей работе, которая позволяет получить степенные функциональные зависимости.

Получена эмпирическая зависимость порогов сдвига и напряжений в поверхностном слое от режимов обработки. Выведены зависимости для расчета объема РС, необходимого для полного удаления напряжений с поверхности каналов в деталях ЛА. Проведены экспериментальные работы по определению зависимости глубины резания единичным АЗ от сил резания-оттеснения при различных условиях царапания образца и углах заточки индентора. Установлено, что сила резания-оттеснения возрастает пропорционально твердости материала, и это подтверждает положение о возможности замены трудно определимой величины напряжения среза в зависимостях определения сил резания микровыступом на величину твердости материала.

Результаты экспериментов, выполненных на лабораторной установке, подтверждены исследованиями процесса на опытно-промышленной установке. Получены эмпирические зависимости изменения напряжения в поверхностном слое, производительности обработки, шероховатости поверхности и давления РС от площади прохвдного сечения и содержания абразива в РС. Установлено, что для обеспечения шероховатости ниже 2 мкм необходимо применить ступенчатую АЭО с использованием абразива величиной менее 50 мкм независимо от площади проходного сечения канала и содержания абразива в РС. Для определения силы резания - оттеснения в рабочей зоне выведены зависимости, устанавливающие связь процесса резания с режимами обработки. Разработана методика выбора режимов АЭО каналов в деталях ЛА и рекомендации по выбору типоразмера установки с минимальными затратами на подготовку производства.

Результаты исследований настоящей работы внедрены в опытное производство.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Получены эмпирические зависимости сил резания - оттеснения от давления РС, длины канала и его площади сечения, а также содержания абразива в РС, устанавливающих связь процесса резания с режимами обработки для различных геометрических параметров каналов в деталях ЛА.

2. Выведены аналитические зависимости для расчета сил резания-оттеснения из условия взаимодействия микровыступов активного АЗ с тупыми углами при его вершине с контактной поверхностью при течении абразивного «жгута» в канале.

3. Выдвинута и подтверждена гипотеза о существовании в абразивном «жгуте» взаимодействия АЗ, формирующих комплексы, непосредственно связанные с «ядром» потока РС и увеличивающие степень закрепления АЗ на его поверхности.

4. Изучены закономерности изменения напряжений в поверхностном слое, шероховатости поверхности и производительности в зависимости от режимов обработки.

5. Выведены зависимости для расчета объема РС, необходимого для полного удаления напряжений с поверхности каналов.

6. Получены зависимости давления РС от длины канала, его площади и содержания абразива в РС.

7. Предложен и оптимизирован состав РС на основе нитролигнина.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Предложено использовать нитролигнин в качестве основы АЗ в РС, получаемой нитрованием гидролигнина (отходов гидролизного производства) меланжем АК-27И.

2. Разработана и изготовлена лабораторная установка для нитрования гидролигнина. По результатам лабораторных исследований выбраны оптимальные режимы нитрования для получения нитролигнина.

3. Разработана и изготовлена лабораторная установка для разделения сырья гидролигнина на фракции. Проведены исследования и выбраны оптимальные режимы разделения. Разработана конструкция промышленной установки для разделения волокнистых масс на фракции.

4. Разработана "и изготовлена машина резания, предназначенная для моделирования процесса царапания единичным абразивным зерном для условий АЭО.

5. Предложены высокопроизводительные составы РС, повышающие производительность АЭО на 35.40% и снижающие себестоимость обработки на 75.80%. Разработан технологический процесс и оборудование для приготовления РС на основе нитролигнина.

6. Разработана программа для математической обработки результатов планируемых экспериментов на средней ЭВМ с целью вывода степенных функций.

7. Получена зависимость порогов сдвига РС от диаметра отверстия и содержания абразива в РС для определения минимальных давлений РС при АЭО мелкоразмерных отверстий.

8. Разработана методика и рекомендаций по выбору типоразмера установки АЭО деталей ЛА, а также рекомендации по выбору технологических режимов в зависимости от требований КД к поверхности каналов.

9. . Предложено в качестве носителя абразивных зерен в РС использовать нитролигнин, получаемый нитрованием гидролигнина - отходов гидролизного производства биохимических производств меланжем АК-27И.

Материалы диссертационной работы докладывались: на межвузовской конференции «Студент, наука, цивилизация», г. Красноярск, 1996 г; на Всероссийских конференциях «Решетневские чтения», г. Красноярск, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 г.г. - 15 докладов, на межвузовских конференциях «Гагарин-ские чтения», г. Красноярск, 1997 ,1998, 1999, 2000 г.г. - 7 докладов; на Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции», г. Красноярск, 1998 - 3 доклада; на международной конференции «Инструмент и инструментальные материалы», г. Новосибирск,. 1999 г.; на международной научно - практической конференции «Современная техника и технологии», г. Томск, 2000 г.; на ежегодной научно-практической конференции «Перспективные направления развития оборонного комплекса», г. Красноярск, 1999, 2000 г.г. - 5 докладов; на Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки - развитию сибирских регионов» г. Красноярск, КГТУ, 2000 г. - 2 доклада; на международной конференции «Новые материалы и технологии на рубеже веков», г. Пенза, 2000 г.; на 6-ой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика», г. Красноярск, 2000 г. - 2 доклада; на IV Всероссийской конференции, г. Пенза, 2001 г.; на международной научно-практической конференции САКС, г. Красноярск, 2001 г; на семинарах кафедры технологии.машиностроения CAA.