автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.04, диссертация на тему:Интенсификация процессов абразивно-экструзионной обработки деталей летательных аппаратов

/ У

V*"

Сибирская аэрокосмическая академия им. академика Решетнева

на правах рукописи

Левко Валерий Анатольевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ АБРАЗИВНО-ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

05.07.04 - Технология производства летательных аппаратов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., профессор Сысоев С.К.

Красноярск, 1998

Список принятых сокращений

JTA - летательные аппараты;

ТНА - турбонасосный агрегат;

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ЭХШ - электрохимическое шлифование;

ФО - финишная обработка;

ЭХО - электрохимическая обработка;

МАО - магнитоабразивная обработка;

BAO - виброабразивная обработка;

ГАО - гидроабразивная обработка;

ТАО - турбоабразивная обработка;

АЭО - абразивно-экструзионная обработка;

ЭШ - экструзионное шлифование;

УЭШ- установка экструзионного шлифования;

РС - рабочая среда;

Ва - размер абразивного зерна (зернистость); Ка - процентное содержание абразива в рабочей среде; СКТ - синтетический кремнийорганический каучук; АЗ - абразивное зерно;

ММР - молекулярно-массовое распределение.

Содержание

Введение 5

Глава 1. Особенности финишной обработки

сложных каналов деталей летательных аппаратов 9

1.1 Конструктивные особенности деталей

летательных аппаратов 9

1.2 Современный уровень процессов финишной

отделки деталей летательных аппаратов 13

1.3 Анализ технологических возможностей процессов абразивно-экструзионной обработки деталей Л А 19

1.4 Физические модели, используемые для

описания процесса АЭО 35

1.5 Выбор направлений интенсификации процессов АЭО 55 Выводы к главе 1 57 Глава 2. Теоретические предпосылки интенсификации

процесса абразивно-экструзионной обработки 60

2.1 Контактные взаимодействия при АЭО 60

2.2 Характер течения рабочих сред при АЭО 66

2.3 Определение оптимального состава рабочей среды 75

2.4 Расчет количества активных абразивных зерен 81

2.5 Особенности течения рабочей среды в каналах

с местными сопротивлениями 83

Выводы к главе 2 87

Глава 3. Исследование процессов абразивно-

экструзионной обработки 90

3.1 Визуальные исследования влияния формы сечения

канала и местных сопротивлений на течение рабочей среды 91

3.2 Методика определения коэффициентов вязкости

рабочей среды при АЭО 108

3.3 Интенсификация процесса абразивной обработки за счет

использования комплексных РС 111

3.4 Исследование зависимости коэффициента ук от зернистости Ва' РС и входного давления Рвх 123

3.5 Расчетные значения скорости и размеров "ядра"

потока РС в круглом канале 127

Выводы к главе 3 129 Глава 4. Разработка рекомендаций по интенсификации

процессов АЭО деталей 13 3

4.1 Исследование влияния состава комплексных РС и геометрических характеристик канала на

шероховатость поверхности канала 134

4.2 Исследование влияния состава РС и противодавления

на шероховатость поверхности канала 144

4.3 Разработка рекомендаций по интенсификации

процесса АЭО деталей ЛА 154 4.4. Создание рекомендаций по разработке технологических

процессов АЭО деталей ЛА и оснастки 164

Выводы к главе 4 170

Заключение 174

Список использованной литературы 180

Приложение 1. Акт внедрения 190

Введение

На современном уровне технологии производства летательных аппаратов (ДА) наблюдаются следующие тенденции: расширение номенклатуры деталей со сложнопрофильными, криволинейными поверхностями, в том числе из труднообрабатываемых материалов; повышение требований к точности и качеству изготовляемых изделий; максимальное приближение формы и размеров заготовки к конфигурации готовой детали, увеличение доли финишных операций в общем объеме технологических процессов механической обработки.

На первое место при этом выдвигаются пути решения, связанные с применением нетрадиционных методов финишной технологии, значительно расширяющих технологические возможности отделочных операций тех деталей, которые недоступны для обработки традиционными способами.

Одним из методов, обеспечивающих надежность узлов и деталей ДА работающих в экстремальных условиях является уменьшение шероховатости или изменение состояния поверхностного дефектного слоя в сложно-пространственных каналах деталей абразивно-экструзионной обработкой (АЭО). Принцип АЭО заключается в перепрессовывании под давлением наполненных рабочими элементами полимерных РС вдоль обрабатываемых поверхностей.

Анализ работ, касающихся внедрения процесса АЭО в производство показал, что при обработке каналов большой длины или с переменной формой поперечного сечения качество обработанной поверхности неоднородно из-за значительного изменения характера течения РС. Для АЭО труднообрабатываемых поверхностей характерна низкая производительность. Несовершенство разработанных режимов АЭО и составов РС сдерживает широкое применение данного процесса в технологии производства деталей ДА.

Одним из путей интенсификации процессов АЭО является регулирование состава и характера течения РС. В связи с этим главной проблемой является создание высокопроизводительного процесса АЭО, который позволил бы отказаться от применяемых в настоящее время менее эффективных способов финишной обработки (ФО).

Целью данной работы является обеспечение требуемой шероховатости сложных каналов деталей ЛА.

Качество и производительность обработки зависит от условий взаимодействия рабочих элементов с обрабатываемой поверхностью. Без их исследования невозможна разработка физической модели, реализация которой обеспечит регулирование параметров процесса и получение требуемой шероховатости поверхности сложнопространственных каналов.

Применяемые для описания физической модели процесса АЭО теоретические представления не учитывают в должной степени специфику метода, как взаимосвязь процессов течения аномально-вязкой наполненной среды и механической обработки (абразивного изнашивания и микрорезания), при которой условия обработки зависят от параметров течения.

Основными задачами диссертационной работы являлись: рассмотрение особенностей финишной обработки сложных каналов деталей ЛА; анализ технологических возможностей метода АЭО в технологии производства ЛА и выбор путей интенсификации; разработка теоретических предпосылок микрорезания субмикровыступами единичного абразивного зерна, характера течения РС в каналах и определения оптимального состава РС; визуальные исследования процесса течения РС в каналах различной конфигурации; получение зависимостей реологических и режущих свойств РС от их состава и условий обработки; интенсификация процессов АЭО деталей со сложными каналами при обеспечении заданных геометрических параметров и качества поверхностного слоя.

Экспериментальные исследования характеристик РС проводились с использованием метода капиллярного вискозиметра.

Характер течения среды через каналы с различными сечениями исследован с использованием киносъемки. Для определения оптимальных составов РС и параметров процесса использованы теоретические предпосылки, основанные на модели аномально-вязких тел. При планировании экспериментальных работ использован план Коно и метод симплексов. Научная новизна работы состоит в следующем: разработана гипотеза об интенсификации процесса резания активными абразивными зернами при течении сред, наполненных абразивом различного зернового состава;

получены математические модели, связывающие параметры качества поверхностного слоя с комплексом технологических факторов и позволяющие назначать режимы АЭО для отделки сложнопрофильных и труднодоступных каналов деталей ЛА;

выявлено влияние конструкторских элементов обрабатываемых деталей на характер течения абразивных РС и установлено, что в некоторых случаях при движении абразивного "жгута"возникают застойные зоны, где нарушаются условия резания активными абразивными зернами;

разработаны новые способы обеспечения равномерности процесса резания активным абразивным зерном вдоль обрабатываемого канала за счет выравнивания скоростей абразивного потока по его сечениям и создания противодавления РС на выходе;

впервые определены величины коэффициентов начальной динамической вязкости цо в широком диапазоне давлений и составов РС, используемых для расчета расхода и скорости абразивного потока. Практическая ценность работы состоит в следующем: разработана методика и устройство, с помощью которых определены численные значения коэффициентов вязкости РС при АЭО;

определены безразмерные коэффициенты £,кв, позволившие охарактеризовать величину потерь давления в каналах различных форм;

предложен способ обработки комплексными РС, интенсифицирующий процесс АЭО труднообрабатываемых поверхностей;

спроектированы и изготовлены устройства для выравнивания условий обработки в каналах с переменным сечением, позволившие интенсифицировать процесс АЭО таких каналов;

модернизация системы противодавления течению РС в обрабатываемом канале обеспечило выравнивание условий обработки по его длине;

разработаны и использованы новые составы РС, включающие в себя абразивные зерна (АЗ) различных размеров, содержание которых рассчитывается по предложенным зависимостям.

Материалы диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции "Проблемы механической обработки машиностроительных материалов" - Красноярск, 1989., на конференции "Проблемы интеграции образования и науки", Москва, 1990., на научно-технической конференции "Повышение качества изготовления деталей машин методами отделочно-упрочняющей обработки", Пенза, 1991., на научно-технической конференции "Материалы, технологии, конструкции", Красноярск, 1995., на семинарах кафедры ТМС и научно-техническом совете (НТС) CAA.

По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе получено одно положительное решение заявки на патент РФ №95110339 от 19.06.95., выполнен 1 отчет по НИР.

Глава X. Особенности финишной обработки сложных каналов деталей летательных аппаратов

Создание летательных аппаратов нового поколения сдерживается недостаточным уровнем развития технологий их изготовления, в том числе процессов окончательной (финишной) обработки (отделки) поверхностей деталей летательных аппаратов (ЛА).

1.1. Конструктивные особенности деталей летательных аппаратов

При создании новой техники все большее распространение получают детали с каналами, к криволинейным поверхностям которых предъявляются повышенные требования по состоянию поверхностного слоя, определяющего качество изготовления деталей, долговечность и надежность агрегатов и изделий в целом [43,89,148,151]. Примеры типовых деталей с такими поверхностями приведены в табл. 1.1 и на рис. 1.1.

Формообразование криволинейных поверхностей проводят модельным литьем, электроэрозионной обработкой, штамповкой или специальными методами фрезерования. Однако, полученные таким образом поверхности имеют дефектный слой, характеризующийся высоким уровнем остаточных напряжений, деформационного упрочнения (наклепа) и неровностей поверхности, что негативно влияет на надежность и работоспособность деталей ЛА, особенно на сопротивление усталости и прочность [43].

Так при работе турбонасосных агрегатов (ТНА) в материале лопаток возникают большие напряжения растяжения от центробежных сил и значительные вибрационные напряжения изгиба и кручения от потока рабочей среды. Быстрая и частая смена температуры приводит к возникновению значительных термических напряжений [64].

Таблица 1.1

Типовые детали ЛА и технологической оснастки со сложными поверхностями в каналах

Наймет звание > Способ получения заготовки, материал Количество обрабатываемых поверхностей, шт. Вид финишной обработки каналов Требуемая шероховатость Яа, мкм

1 2 3 4 5

да крылы гатка Литье, АМг-6 Штамповка, сталь 07X16Н6 16...24 спиральных проточных каналов переменного сечения Виброгалтовка, полирование лопаток 2.5

ДВ< вентиг [ЯТОр Литье, ОТ-4 литье, АМг-6 12...20 спиральных проточных каналов переменного сечения Виброгалтовка, полирование лопаток 0.63

ТН, крыль1 гатка Штамповка, сталь 07X16Н6 5... 10 спиральных проточных каналов переменного сечения Виброгалтовка, полирование лопаток 2.5

ТНА, ту рбина Литье, ВНЛ-1 24...90 прямых проточных каналов постоянного сечения Слесарная 1.25

ТНА, решетка сопловая Литье, сталь ХН43БМТЮЛ 20...60 спиральных цроточных каналов переменного сечения Слесарная 1.25

Сопло-насадок Литье, сталь 12Х18Н10ТЛ Канал переменного сечения Слесарная 0.25

м

о

Продолжение таблицы 1.1

1 2 3 4 5

ТНА, колесо Штамповка, сталь 13Х11Н2В2МФ 5...9 спиральных проточных каналов переменного сечения Слесарная или электрополировка 2.5

Сопловой аппарат Литье, сталь ХН73МБТЮ 8...36 спиральных проточных каналов переменного сечения Полирование лопаток 1.25...2.5

Направляющий аппарат Литье, ВНЛ-1 12...29 спиральных проточных каналов переменного сечения Полирование лопаток 1.25...2.5

Спрямляющий аппарат Литье, сталь 08X14Н7М 13... 16 прямых проточных каналов постоянного сечения Полирование лопаток 1.25...2.5

Лопаточный аппарат Литье, сталь С7Х16Н6 14 прямых, проточных каналов постоянного сечения Полирование лопаток 1.25...2.5

Ротор Литье, сталь ХН73М6ТЮ 51 прямой проточный канал постоянного сечения Полирование лопаток 1.25...2.5

Диск Литье, сталь ХН77ТЮ 83 прямых проточных канала постоянного сечения Полирование лопаток 1.25...2.5

Крыльчатка Литье, ОТ-4 Литье, ВНЛ-6 7...9 спиральных проточных каналов переменного сечения Полирование лопаток 1.25...2.5

Профилирующая матрица Фрезерование, сталь 4Х2В5МФ Термообработанный канал сложного сечения Полирование формирующего пояска 0.20

(—! И

Рис. 1.1. Детали летательных аппаратов со сложнопрофиль-ными рабочими каналами.

Имеющиеся дефекты в материале лопатки при таких режимах становятся центрами зарождения трещинообразований и дислокаций, а поскольку структура материала наиболее изменена в поверхностном слое, который оказывается наиболее нагруженным при всех видах напряженного состояния, то разрушение деталей при эксплуатации, как правило, начинается именно с поверхности [34].

Чтобы повысить сопротивление усталости, прочность и коррозийную стойкость деталей необходимо уменьшать величину дефектного поверхностного слоя, снижать шероховатость, увеличивать микротвердость поверхностного слоя, повышать уровень сжимающих и уменьшать величину растягивающих остаточных напряжений [65].

Для этого в технологии традиционного машиностроения используют операции финишной обработки: шлифование, полирование, доводка, суперфиниширование и т.д [19]. Однако финишная обработка криволинейных поверхностей и каналов деталей ЛА традиционными способами обработки практически не применяется из-за затрудненного доступа инструмента к обрабатываемой поверхности. Поэтому для этих целей используют специальные технологии финишной отделки [43].

1.2. Современный уровень процессов финишной обработки деталей летательных аппаратов

К специальным методам финишной отделки (ФО) относятся способы, в которых в качестве инструмента применяется поток разнообразных жидкостных или уплотненных сред, несущих рабочие элементы, которые при перемещении вдоль обрабатываемой поверхности вступают в контакт с ее неровностями. Наряду с ними, для улучшения качества сложных поверхностей до сих пор широко применяется и ручная доводка [19].

Известно, что для выбора способа ФО используются показатели качества детали, чаще всего точность изготовления и качество поверхностного слоя. Достаточные условия выбора, согласно данным В.Н.Подураева, характеризуются производительностью, технологической себестоимостью и технологической надежностью процесса [50]. Однако, известные способы обладают рядом особенностей и недостатков, которые делают неэффективным их применение для ФО деталей ЛА (табл.1.2) [26].

Так при электрохимическом шлифовании (ЭХШ) основное растворение материала детали происходит на выступах микронеровностей наружной поверхности вследствие более высокой плотности тока на их вершинах. Снятие металла в каналах практически отсутствует.

Уменьшение шероховатости в каналах при электрохимической обработке (ЭХО) обеспечивается анодным растворением металла в среде проточного электролита при малых зазорах между деталью и инструментом. Образующиеся в результате реакции продукты анодного растворения (гидраты окислов металлов) уносятся потоком прокачиваемого электролита [62]. Остаточные напряжения не удаляются, их величина и направление определяются предшествующим видом обработки. При ЭХО образуется характерный дефектный слой. На всей обработанной поверхности в результате травления появляются дополнительные микротрещины. По сведениям В.П. Смоленцева происходит растравливание впадин неровностей поверхностного слоя с