автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Комбинированная обработка глубоких каналов в армируемых материалах

САг''

/

-О / а

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

' ^ _ I На пРавах РУКОПИСИ

ТРОФИМОВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

КОМБИНИРОВАННАЯ" ОБРАБОТКА ГЛУБОКИХ КАНАЛОВ :£ АРМИРУЕМЫХ

МАТЕРИАЛАХ

(Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РСФСР, СМОЛЕНЦЕВ В.П.

ВОРОНЕЖ 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................4

ГЛАВА 1. НОМЕНКЛАТУРА ИЗДЕЛИЙ С ГЛУБОКИШ МИКРОКАНАЛАМИ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИХ ОБРАБОТКИ........9

1.1 Номенклатура изделий с глубокими микроканалами.......9

1.2 Методы обработки глубоких каналов....................15

1.2.1 Методы, основанные на механическом воздействии.....16

1.2.2 Методы, основанные на тепловом воздействии........21

1.2.3 Электроэрозионная и электрохимическая обработка____26

1.2.4 Комбинированные методы обработки...................33

ВЫВОДЫ...................................................57

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ...........................59

2.1 Научная концепция и рабочая гипотеза исследования----59

2.2 План проведения исследований.........................66

2.2.1 Моделирование процессов КОМФА......................6?

2.2.2 Исследование влияния УЗП на активность анодного растворения материалов арматуры и матрицы..........69

2.2.3 Разработка типовых технологических процессов КОМФА, внедрение результатов и определение направлений развития исследования................................71

2.3. Номенклатура армируемых и армирующих материалов, рабочие среды.........................................73

2.4 Схемы обработки, экспериментальное оборудование и образцы.............................................75

2.5 Показатели оценки КОМФА.............................87

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОМФА...................91

3.1 Физическое моделирование формообразования каналов____91

3.2 Исследование влияния акустических колебаний на процесс движения анодной границы.............................97

3.3 Математическое моделирование процесса................115

3.3.1 Получение основных дифференциальных уравнений......115

3.3.2 Решение модельных диффренциальных уравнений КОМФА..131

3.3.3 Алгоритм расчета параметров процесса КОМФА.........145

3.4 Моделирование процесса обработки арматуры при использовании твердых электролитов.....................148

ВЫВОДЫ...................................................152

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЗП НА АКТИВНОСТЬ АНОДНОГО

РАСТВОРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ АРМАТУРЫ И МАТРИЦЫ.......154

4.1 Влияние УЗП на активность анодного растворения арматурных материалов....................................154

4.2 Влияние УЗП на активность анодного растворения электропроводящих матриц...................................165

4.3 Регулирование активности анодного растворения электропроводящих матриц и арматуры.........................186

4.4 Экспериментальное исследование адекватности модельных уравнений............................................195

ВЫВОДЫ...................................................201

ГЛАВА 5. ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КОМФА,

ПРИМЕРЫ ВНЕДРЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ........................203

5.1 Типовые технологические процессы......................203

5.1.1 Выбор типового технологического процесса............203

5.1.2 Технологическое оборудование КОМФА..................214

5.1.3 Реализация процесса обработки.......................219

5.2 Примеры внедрения и перспективы использования результатов исследования....................................223

5.2.1 Номенклатура обрабатываемых изделий.................223

5.2.2 Комбинированная обработка глубоких каналов..........239

5.3 Перспективы использования результатов исследования----24?

5.3.1 Обработка композиционных материалов.................247

5.3.2 Обработка точных сопрягаемых поверхностей...........252

5.4 Внедрение результатов исследований в учебный процесс..255 ВЫВОДЫ....................................................25?

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ..........................258

ЛИТЕРАТУРА................................................262

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................285

ВВЕДЕНИЕ.

Научно - технический прогресс в машиностроении предполагает применение в различных конструкциях ( летательных аппаратов, химической промышленности, приборостроения и других) материалов высокой твердости, прочности, износостойкости, вязкости. Внедрение новых труднообрабатываемых материалов актуализирует поиск качественно новых способов обработки, совершенствование существующих технологических приемов. Обработка глубоких каналов малого диаметра в заготовках из твердых конструкционных и инструментальных материалов является сложной технологической задачей. Для ее решения используются многообразные рабочие процессы формообразования на основе механического воздействия, электронного и лазерного луча, электроэрозионного и электрохимического разрушения, комбинированных воздействий.

Комбинированная обработка заготовок-матриц с установленной металлической формирующей арматурой (КОМФА), первоначально созданная для обработки диэлектрических материалов, обладает рядом преимуществ перед традиционными технологическими методами получения глубоких микроотверстий. В ходе исследования процесса получения глубоких каналов в электронепроводящих керамиках удалось доказать, что при ультразвуковой интенсификации анодного растворения арматуры возможна обработка отверстий с минимальным диаметром 8-10 мкм при соотношении глубины к диаметру более 800:1. На технологические показатели практически не влияют твердость и структура обрабатываемого материала.

Однако значительная часть деталей, содержащих глубокие каналы, выполняется из токопроводящих материалов, к которым можно от-

нести широкую номенклатуру изделий из твердых сплавов, порошковых сталей и сплавов, электропроводящих минераллокерамик.

Анализ различных методов обработки глубоких каналов показывает, что улучшение технологических показателей по глубине и качеству обработки каналов, имеющих малые размеры сечения и произвольную форму оси,представляет собой сложную техническую задачу. Это и определяет актуальность распространения закономерностей метода КОМФА в диэлектриках на электропроводящие материалы. Такое расширение области использования обуславливает содержание научной проблемы исследования, заключающейся в необходимости создания методов и средств локализации растворения на внешней границе арматуры.

Формообразование глубоких каналов в диэлектрических и электропроводящих материалах основывалось на следующей рабочей гипотезе: Комбинированная обработка путем анодного растворения в ультразвуковом поле создает условия для избирательного растворения арматуры в материалах различной физической природы при детерминированном задании рабочих режимов в технологической ячейке, если

- обеспечивается ультразвуковая интенсификация анодного растворения металлической арматуры на больших глубинах без разрушения канала на границе арматуры,

- найдены технические средства, позволяющие локализовать область анодного растворения арматуры.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка теоретических положений локализации съема металла на границе арматуры и ее практическая реализация для электропроводящих и диэлектрических материалов в каналах размерами от 10 мкм. и глубиной более 100 диаметров, произвольного сечения и формы оси.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ, определенные по результатам изучения состояния вопроса:

- б -

1. Разработать теоретические основы локализации границы арматуры при обработке электропроводящих материалов.

2. Предложить способы локализации процесса анодного растворения при ультразвуковой интенсификации в сквозных и глухих каналах большой глубины произвольного сечения и формы оси.

3. Дать математическое описание процессов формообразования каналов при комбинированном воздействии анодного растворения и интенсифицирующего ультразвукового поля (УЗП) в условиях увеличивающегося межэлектродного зазора.

4. Исследовать процессы влияния акустических колебаний на анодное растворение арматуры.

5. Определить возможности регулирования активности анодного растворения металлических пар армированной заготовки в УЗП.

6. Разработать технологические режимы комбинированной обработки арматуры, рекомендации по проектированию технологии, оборудования и инструмента.

7. Разработать типовые технологические процессы для деталей, имеющих глубокие каналы и применяющиеся в различных областях машиностроения .

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. При выполнении работы применялись теоретические и экспериментальные методы исследований, основанные на использовании основных положений теоретической электрохимии,теории ультразвуковых колебаний и кавитации , теоретические основы импульсных методов интенсификации процессов обработки , методов математического моделирования физических процессов и оптимизации, теории подобия и упругости. При проведении экспериментов использовалось современное технологическое оборудование и контрольно-измерительная аппаратура.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается в разра-

ботке:

- концепции комбинированной обработки металлической арматуры в армируемых токопроводящих и диэлектрических материалах;

- методов (получены авторские свидетельства на способы обработки и изготовления) локализации растворения технологической арматуры;

- модели комбинированного воздействия на процесс удаления арматуры технологического тока и ультразвуковых колебаний;

- теоретического обоснования и практического подтверждения взаимосвязи между параметрами рабочей среды и уровнем воздействия ультразвуковых колебаний;

- математического описания движения анодной границы арматуры при наложении на электролит ультразвуковых колебаний;

- методов ограничения воздействия ультразвукового поля на материалы заготовки и стенки каналов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ результатов диссертационной работы состоит в:

- расширении области использования метода комбинированной обработки глубоких каналов для электропроводящих материалов;

- разработке методики оценки возможности использования различных материалов для армируемых заготовок;

- разработке технологических приемов управления качеством поверхности каналов путем регулирования электрохимического и ультразвукового воздействия;

- разработке технологических режимов и типовых процессов обработки сквозных и глухих (а.с.N1673329) каналов малого диаметра;

- получении рабочих сред , содержащих металлическое серебро (а.с. N 1299719), и на основе твердых электролитов , позволяющих реализовывать технологические схемы КОМФА на качественно новом

уровне;

- использовании результатов исследований в учебном процессе для студентов специальностей 120200 - металлорежущие станки и инструменты и 120100 - технология машиностроения.

- внедрении результатов научных исследований в промышленное производство на предприятиях аэрокосмического комплекса, приборостроения, электронной промышленности. Экономическая эффективность подтверждена актами о внедрении предприятий.

АПРОБАЦИЯ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ. По теоретическим и практическим положениям работы сделано 17 докладов на следующих научных конференциях: Всесоюзных научно-технических конференциях МВТУ им.Баумана(1985,1988), Всесоюзной научно-технической конференции ЛМИ им. Устинова(1986)»Всесоюзной научно-технической конференции МИСиС( 1987), Всесоюзной конференции АН УССР(1988),научно-техническом семинаре ЛДНТЩ1988),научно-технических конференциях КПИ(1988,1989,1991), Всесоюзной научно-технической конференции Москва-Севастополь,МИСиС(1991), Международной научно - технической конференции, Луганек(1996).

ПУБЛИКАЦИИ: материалы проведенных исследований отражены в 34 научных работах , в том числе 1 монографии, 1 учебном пособии и 4 авторских свидетельствах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 222 наименований и приложений . Работа содержит 330 страниц сквозной нумерации,включая 68 рисунков, 13 таблиц и приложения.

ГЛАВА 1. НОМЕНКЛАТУРА ИЗДЕЛИЙ С ГЛУБОКИМИ МИКРОКАНАЛАШ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИХ ОБРАБОТКИ

1.1 Номенклатура изделий с глубокими микроканалами

Современная номенклатура изделий с глубокими микроканалами достаточно широка. Это подтверждается многолетней успешной деятельностью ассоциации "Boring and Trepanning Association" (ВТА), которая объединяет фирмы из США ä ФРГ, Франции и других стран. ВТА владеет монополией в области разработки, изготовления и освоения в производстве специального оборудования, оснастки и технологии для обработки глубоких отверстий [2053, что ограничивает возможность широких исследований и по вопросам обработки глубоких микроканалов [72]. Однако, интерес к проблеме усиливается технологическими запросами производства.

Автором был проведен анализ технологических проблем различных методов обработки перспективных конструкционных и инструментальных материалов, высокая твердость которых вызывают затруднения при выборе способа формобразования глубоких каналов малого диаметра.

Основной объем современных исследований посвящен формообразованию каналов в керамических и твердосплавных материалах, выполнение которых необходимо в корпусных деталях, различных втулках, фильтрующих и защитных элементах, протезах и.т.д. [90]. Образцы изделий представлены на рис.1.1.

Сложность технологических задач, сопровождающих создание новых способов получения глубоких каналов в спеченных материалах, требует в ряде случаев принятия государственных программ по разработке комбинированных технологий. Так Национальным институтом

а.)

Рис 1.1 Образцы изделий с глубокими каналами: а)фильтр, б)плас тина, в)б тулка

Рис.l.l (продолжение) : г) основание., д) спираль., е) сопло

стандартов и технологии Великобритании разрабатывается комплексная программа по обработке керамических материалов [165]. При этом отмечается, что в настоящий момент стоимость обработки глубоких каналов резанием составляет до 90% от стоимости высокоточных деталей, а возможные дефекты, внесенные этой обработкой, могут быть причиной разрушения при эксплуатации.

Исследованием и внедрением технической керамики занимается ряд фирм, добившихся высоких практических результатов. Фирма "Giba Grimsby" рекомендует изготовление деталей с пористой структурой производить в два этапа: уплотнение исходного порошкового материала под давлением 10-15 кПа и прокаливание при высокой температуре. По такой технологии изготавливаются детали фильтров и керамические мембраны [112,1603.

Для изготовления корпусов муфт и тормозов с глубокими технологическими каналами используются керамики на основе оксида алюминия. Прессованная заготовка обжигается при температуре 1650°С , а готовое изделие обеспечивает повышение долговечности узла в 3-5 раз. Внедрение конструкционной керамики параллельно увеличивает себестоимость в 1,8 раза вследствие значительных затрат на окончательную обработку изделия [163].

Основные тенденции развития инструментальных материалов определяются требованиями снижения сил резания и потребляемой мощности, необходимостью обработки новых композиционных материалов, повышением уровня скоростей резания, использованием лезвийной обработки взамен шлифования. Автор [1613 считает, что оксидная и нит-ридная керамика фактически достигли предела своих возможностей и могут эффективно применяться лишь в определенных областях. В этой области приоритетная позиция может принадлежать инструментам,оснащенным твердосплавными пластинами с направленным регулированием

прочности и твердости за счет создания переменной структуры в объеме и глубокими охлаждающими микроканалами. Однако, обработка и доводка таких пластин создает в свою очередь значительные трудности.

Обработка глубоких каналов в изделиях порошковой металлургии сопровождается рядом технологических проблем. Они обусловлены высокой твердостью тугоплавких соединений вольфрама,титана, тантала, ниобия с углеродом, азотом и связующими кобальтом или никелем, но низкая пластическая деформация при отрицательных температурах, высокая сопротивляемость износу при трении, устойчивость в агрессивных средах предопределяют значительное улучшение характеристик изделий уже при замене обычных металлических материалов на порошковые .

Современные изделия из спеченных твердых сплавов, содержащих глубокие микроканалы, подразделяются на три группы [122]:

- используемые для оснащения металлорежущих инструментов, инструментов для обработки давлением и ряда других (буровых, медицинских и.т.д);

- используемые для изготовления деталей машин, подверженных интенсивному износу, или деталей приборов с заданными свойствами (например, высоким значением предела прочности при сжатии или модуля упругости);

- используемые для изготовления лопаток газовых турбин,в конструкциях ракетных и авиационных двигателей, термических преобразователях.

Основной объем изделий (около 70%) исп