автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение точности профилирования рабочих поверхностей распылителей форсунок дизелей

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕЧИПОРЕНКО Дмитрий Владимирович

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРОФИЛИРОВАНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ФОРСУНОК ДИЗЕЛЕЙ

05.02.08 — технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург— 1992

Работа выполнена на кафедре технологии судового машиностроения Государственного морского технического университета Санкт-Петербурга.

Научные руководители: кандидат технических паук, доцент

| В. Л. БАЛДАЕВ

доктор технических наук, профессор

В. П. БУЛАТОВ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор С. Л. МУРАШКИН; кандидат технических паук Г. И. ПАНИН.

Ведущая организация — Центральный научно-исследовательский и конструкторский институт топливной аппаратуры двигателей (ЦНИТА), Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится « 1992 г.

в часов па заседании специализированного совета К053.23.01

Государственного морского технического университета по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3, ¿З^Я Л ~340

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГМТУ.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять в адрес специализированного совета.

Автореферат разослан «

/4 » ¿Х/уЬгЛ^Р 1992 р.

Ученый секретарь специализированного совета К053.23.01 кандидат технических паук, доцент О. Ю. ФАСОЛЬКО

\ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБШЫ

^ .

Актуальность работы. Повышение надёжности и экономичности дизелей остаётся одной нз важнейших научно-технических проблем двигателестроения. Дяя её эффективного решения реализуется целевая комплексная программа по совершенствованию топливной аппаратуры, являющейся наименее надёжным узлом дизеля. Задачи этой'программы легли в основу настоящей работы.

Распылители форсунок эксплуатируются в особо тяжели условиям при высоких тепловых и механических нагрузках. Это приводит к ускоренному изнашивании и искажению формы рабочих поверхностей распылителей: направляющих цилиндрических и уплотняющих конических прецизионных поверхностей, а также распиливающих отверстий. Нарушения в работе распылителей форсунок сникают технико-экономические показатели и могут.вызвать аварийную остановку дизеля. Основной причиной преждевременных параметрических и фунхциснальннх отказов распылителей в эксплуатации является невыполнение жёстких требований к точности изготовления рабочих поверхностей.

Сопловой аппарат форсунки оказывает решающее влияние на качество процессов подачи, распылигания, смесеобразования п сгорания топлива в дазеле. Вместе с тем, операции обработки распиливающих отверстий являются узким местом технологического процесса изготовления распылителей. Это подтверждает значительная доля неисправимого брака из-за поломки нежёсткого инструмента, а также скрытое нарушение допуска диаметра из-за неци-линдричнэсги отверстий, выявленной для применяемнх методов сверления • И' электроискрового прошивания. Как следствие, в эксплуатации ухудшалось качество распиливания и увеличивался удельный эффективный расход топлиеэ дизеля.

Несовершенство смесеобразования приз ода? к неполному сгоранию топлива и потере тэплоты в дизеле. Рациональное объёмное смесеобразование'может быть достигнуто увеличением однородности и угла распыливания топливных струй путём профилирования распиливающих отверстий. Однако эта проблема недостаточно вду-чена и до настоящего времени не имела технологического решения для условий соплового аппарата дизельной форсунки.

Исследования, направленные на повышение точности профилирования рабочих поверхностей распылителей форсунок дизелей,являются весьма актуальными.

Цель работа. Повышение точности профилирования распиливающих отверстий форсунок для улучшения качества распиливания.смесеобразования и экономичности судовых дизелей.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Исследование влияния катодов формообразования распиливающих отверстий на экономичность дизеля.

2. Определение влияния формы распиливающих отверстий на процесс распиливания и выбор их целесообразной формы.

3. Разработка и реализация способа точного электроэрозионного профилирования малых отверстий.

4. Сменка эффективности применения профильных распиливающих отверстий форсунок на дизеле.

Методы исследования. При выполнении работы использованы экспериментальные и теоретические методы исследования.

Математическое планирование применялось для ряда многофак-торшх экспериментов по совершенствованию обработки малых отверстий. Определение её погрешностей осуществлялось с помощью контактных и неконтактных способов контроля, в том числе, на специальных приборах ЦНИТА с ценой деления до 0,2 мкм. Опытная методика позволила контролировать профиль продольного сечения распиливающих отверстий. Статистическая обработка, корреляционный и регрессионный анализы результатов измерений внполнялись с использованием ЭВМ.

Процесс распиливания топлива через профильные отверстия исследован с помощью высокоскоростной киносъёмки на безмоторной установке - бомбе. В ходе испытаний опытных распылителей на дизеле получены и проанализированы индикаторные диаграммы рабоче-. го цикла, определена его экономичность.*

Научная новизна. ■ Предложен метод повышения точности рабочих поверхностей распылителей форсунок, основанный, на комплексном пооперационном анализе технологии их изготовления и включающий: оценку и учёт закономерностей технологического наследования погрешностей формы и расположения поверхностей; методику контроля профиля продольного сечения распиливающих отверстий и математическую модель для определения погрешностей формообразования при сверлении.

Разработана метбдика электроэрознонного профилирования ма-

* - натурные эксперименты выполнены на оборудовании лаборатории кафеда СДВС и ДУ ГМТУ.

лшс отверстий и выявлен эффект компенсации погрешности формообразования задаваемо® угловой коррекцией положения электрода-инструмента. Установлена зависимость коррекции от угла наклона образующих отверстий.

На основе экспериментально-аналитического исследования влияния формы распиливающих отверстий многоструйннх форсунок да процессы распиливания и сгорания, а тшсже расход топлива в дизеле, предложена новая форма отверстий в виде протяжённого конфузора, переходящего в диффузор.

Практическая Ценность работы. Обеспечен требуемый уровень точности профилирования рабочих поверхностей распылителя форсунки, что положительно влияет на надёжность и экономичность дизеля.

Благодаря учёту технологической наследственности изменены допуски и припуски на ранних операциях процесса изготовления распылителей форсунок дизеля типа ЧН 16/17, что позволило повысить точность формы и расположения прецизионных поверхностей и уменьшить расход инструмента на финишных операциях.

Создана и реализована технология электроэрозионного профилирования малых отверстий. Для обработки отверстий сопловых аппаратов форсунок различных типоразмеров сконструирована и изготовлена установка / A.c. IP 1682064 / к электропрошивочному станку ЦНИТА 5II005.

Предложен к использованию распылитель форсунки / положи -тельное решение ГНТЭИ по заявке IP 4758545/06 /, содержшций отверстия в виде протяжённого конфузора, переходящего в диффузор, изготовленные'электроэрозионным профилированием, и позволяющий снизить расход топлива в дизеле. Опытные распылители испытаны на дизелях типа ЧН 30/38 и ДН 23/30.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Объединённом заседании Всесоюзных семинаров на тому "Упрочнение поверхности и усталость металлов" / г, Махачкала, 1985 г. /; Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы технологии машиностроения" / г. Москва, 1986 г. /; Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы двигателестроения"/ г. Владимир, 1987 г. /; научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Ленинградского кораблестроительного института / 1990 Г. /.

. Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре статьи, тезисы докладов на двух НШ, два отчёта по НИР, защищены два изобретения.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии и пяти приложений. Она содержит 114 страниц текста, 27 рисунков и 13 таблиц. Шблиография включает 90 наименований источников.

Во введении обоснованы актуальность теыы и направление исследований, приведена аннотация работы, отражающая её научно-практическую значимость.

В первой главе рассмотрены конструкционно-технологические • особенности распылителей форсунок судовых дизелей во взаимосвязи с уровнем надёжности и экономичности. Выполнен анализ технологий изготовления распылителей, который показал существование проблемы повышения точности рабочих поверхностей и необходимость р.азработки технологии проектирования распиливающих отверстий.

Вопросами повышения качества и совершенствования технологии изготовления топливной аппаратуры, в частности - распылителей форсунок, занимались Н.И.Бахтиаров, А.С.Захаревский, Г.И. Панин, А.Г.Рохлин, В.Н.Смирков и другие специалисты. В исследованиях А.М.Дальского, А.А.Маталина, П.И.Ящерйцына и других показано, что при обработке прецизионных поверхностей помимо оптимизации наладки оборудования необходим учёт пооперационного технологического наследования исходного качества. Это послужило основанием экспериментально-теоретического анализа типового процесса изготовления распылителей. Его результаты позволили прогнозировать и достигать требуемую точность профилирования прецизионных поверхностей.

Применяемые способы изготовления распиливающих отверстий характеризуются значительной долей брака и не обеспечивают стабильности гидравлических параметров распылителей. Последнее приводит 2 увеличению расхода топлива, уменьшению мощности и ресурса дизеля. Вопросы действительных отклонений размеров и формы распиливающих отверстий, а также проблема повышения точности их изготовления изучены недостаточно.

В исследованиях .И.В.Астахова, В.А.Кутового, А.С.Лышевско-го, И.А.Мичкина, Р.В.Русиноза, Ю.Б.Свиридова, В.И.Трусова, Ю. Я.Фомина и других большое внимание уделяется совершенствованию процессов смесеобразования и сгорания топлива, в том числе,

путём оптимизации формы элементов соплового аппарата форсунки. Ряд работ посвящен влиянию формы кромок распиливающих отверстий на топливоподачу и экономичность дизеля. Результаты этих исследований часто противоречивы и практически нэ используются.

При подводе топлива соосно распиливающему отверстию характеристики распределения, форма и баллистика факела " фактически определяются профилем отверстия. Экспериментальный выбор рациональной формы для системы распиливающих отверстий форсунки способствовал бы достижению соответствия форы факелов и камеры сгорания, повышению качества распыливания и индикаторного к.п.д. рабочего процесса в дизеле. Однако профилирование распиливающих отверстий многоструйных дизельных форсунок не имеет необходимого методического и технологического обеспечения.

На основе анализа методов обработки малых отверстий предлагается способ их электроэрозионного формообразования непро-филированным электродом-инструментом при одностороннем доступе. Разработка этого способа даёт широкие возможности профилирования распиливающих отверстий для повышения топливной экономичности дизеля.

В результате изучения состояния вопроса были сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе выполнен сравнительный анализ точности распиливающих отверстий, изготовленных сверлением и электроискровым способом. Исследовано формообразование отверстий сверлением на различных режимах и возможности его совершенствования.

Топливная экономичность дизелей зависит от способа изготовления распиливающих отверстий из-за вероятных отличий в погрешностях диаметра, формы, расположения и шероховатости.Последние два фактора для традиционных способов отличаются несущественно и отвечают техническим требованиям. Определение действительных отклонений размеров и формы затруднено малыми диаметрами и особенностями расположения рас пыливающих отверстий. На основании сравнительного анализа ряда методов контроля геометрической точности отверстий была предложена и применена опытная методика, позволяющая достоверно судить о форме распиливающих отверстий. Она включает следующие этапы: формирование выборки, маркировка распылителей и отверстий; изготовление шлифа на каждом образце-распылителе, таким образом,чтобы его плоскость пересекла все отверстия на одном уровне, образуя эл-

липсы; измерение на микроскопе халой ос* эллипса и её расстояния от внешней поверхности распылителя. Суммарная предельная погрешность измерения диаметра Ы составила 3,6 мкм.Изготовле-ние двух-трёх косых сечений отверстий позволяет количественно оценивать их форму.

Выполнен анализ геометрической точности 96 отверстий, изготовленных сверлением и электроискровым способом. Допустимый диаметр составлял 0,35*"^'^ мм. Определены распределения диаметров отверстий в трёх поперечных сечениях и значения действительной нецилиндричности, являющиеся оценками для генеральной совокупности.

Результаты статистической обработки измерений показали , что поля рассеяния диаметров увеличиваются от внешнего сечения к внутреннему при сверлении от 25 мкм до 45 мкм, а. при электроискровом способе - от 45 мкм до 55 мкм. Разброс значений обусловлен технологическими вариациями размера инструмента и режима обработки. Средние диаметры в сечениях существенно отличаются между собой, а два из них превышают допустимые значения. Форма отверстий заметно отличается от требуемой цилиндрической. При сверлении возникала бочкообразность, практически исключавшая возможность обеспечения допуска на диаметр. Однако она, в среднем, численно вдвое меньше конусообразностй отверстий, изготовленных электроискровым способом. Установлено, что зависимость топливной экономичности дизелей от способа изготовления распиливающих отверстий в основном определяется отличием в получаемых погрешностях формы.

На первом этапе решалась задача обеспечения допустимой нецилиндричности. Исследовались закономерности формообразования отверстий с целью оптимизации режимов сверления. Определя-дась эмпирическая зависимость погрешности диаметра ¿с/ от основных характеристик процесса обработки:

где П - частота вращения сверла;

с/0 - номинальный диаметр инструмента;

I - текущее значение глубины сверления.

Аппроксимация выполнена с помощью математической модели второго одщдка:

лс! -~ а0 ап^х- х?,

1-.1 <■='

где а0 \ ¿7; - постоянные коэффициенты;

~ ноР,лиРованные Факторы Л ; I . Трёхфакторный эксперимент осуществлён по матрице центрального композиционного ортогонального планирования второго порядка. Каждый из факторов варьировался по пяти уровням в следующих пределах: П от 40 до 100 с-1; <{в от 0,3 до 0,7 мм; I от О до 2 мм. По каждому из пятнадцати реализованных плановых сочетаний сверлилось шесть отверстий в пластине из стали 1ЕК2Н4МА. Диаметры а[ в поперечных сечениях определялись трёхкратным измерением и последующим осреднением. Рассчитывались погрешности воспроизведения и отклонения диаметра лс1. Полученная модель имеет следующий вид:

дс/=35,63 +4,/Х,+?86%+7№3+ 1,29X^-1-^,59 Х2Х3 - 18,6X1

Адекватность этой модели подтверждена проверкой по критерию Стьюдента и графическим сопоставлением с экспериментальными данными. Погрешность расчёта значения составляет не более 12 %. Семейства кривых модели в натуральном виде представлены на рис.1. . _

В исследованном диапазоне существует максимум А(1, соответствующий глубине I мм. Тогда, исходя из полученного уравнения и учитывая отличия условий изготовления отверстий в пластине и в распылителе / с помощью найденного соотношения > равного 0,67 /, ожидаемая погрешность диаметра распиливающих

Рис.1. Изменение отклонения диаметра Лс/ по глубине I отверстия при различных диаметрах / £7 / и частотах вращения Я /О / сверла.

отверстий для заданных значений Г1 и С^ определяется по следующей формуле:

л% = 0,17п + 45,26¿0 -9,86 .

Значения лс/р достигают 40 мкм при с10 = 0,7. мы и П = 100 с . Учёт действительного рассеяния отклонений лс1р позволил . установить технологически исполняемый допуск на диаметр распиливающих отверстий в пределах 40...75 мкм. Возможное снижение частоты вращения уменьшает погрешность на треть, но не обеспечивает требуемой точности.

Появление бочкообразности отверстий связано с изгибом и уводом нежёсткого сверла из-за неточности его направления и асимметричности усилий на режущих кромках. Это вызывает радиальные вибрации вершины сверла с изменяющейся по мере заглубления . амплитудой. Её значения возрастают до глубины 0,9.. 1,2 мм при форсированной подаче врезания и ухудшении стружкоотвода до момента вывода сверла из глухого отверстия. Затем подача и амплитуда вибраций уменьшаются, сверло "проваливается" и калибрует крайнее сечение отверстия с образованием заусенцев.

Применялся усовершенствованный способ изготовления отверстий, включающий обработку коротким сверлом повышенной жёсткости на 0,3...0,5 глубины отверстия и рассверливание до номинальных размеров.

Выполнен эксперимент по сравнению точности отверстий, изготовленных традиционно-/ сверлением через кондукторную втулку/ и по предложенному способу. В пластине из стали 18Х2Н4МА толщиной 1,5 мм было изготовлено 72 отверстия. Осуществлялась вариация диаметра.сверла / 3 уровня / и длин режущих кромок/ 2 /. По каждому из сочетаний факторов было обработано б отверстий. Диаметр контролировался в четырёх сечениях на глубине: 0,1;0,7; 1,1; 1,4 мм.

В соответствии с планом было. получено 48 экспериментальных точек и построены 12 линий, передающих характер образующих продольного профиля отверстий. Установлено, что минимальная асимметричность режущих кромок сверла заметно увеличивает отклонение диаметра отверстия при традиционном сверлении. При симметричных кромках двухступенчатое сверление уменьшает погрешность размера на 20...30 % и обеспечивает исполнение допуска 16...22 мни на диаметр 0,3...О,5 мм.

По результатам трёх взаимосвязанных экспериментов можно

заключить следующее.

При традиционной обработке распиливающих отверстий допуск 20 мкм диаметра 0,35 ш не обеспечивался из-за бочкообразности 10 мкм при сверлении или конуоообразности 20 мкм - при электроискровом способе.

Предложена математическая модель, позволяющая определить погрешность формообразования отверстий диаметром 0,3...0,7 мм сверлением с частотой вращения 40...100 с-1. Отклонение формы распиливающих отверстий уменьшается на 20...30 96, если сверление выполняется в два перехода: обработка укороченным жёстким сверлом на 0,3...0,5 глубины отверстия; сверление на полную глубину спиральным сверлом большего на 10 % диаметра.

Влияние способа изготовления цилиндрических распиливающих отверстий форсунок на удельный эффективный расход топлива дизеля обусловлено отличиями в погрешности формы. Обоснованное изменение ф^.рмы распиливающих отверстий является резервом улучшения топливной экономичности дизелей.

В третьей главе приведены описание, и. анализ результатов эксперимента по влиянию 4ормы распиливающих отверстий форсунок на характеристики распиливания топлива. Установлены закономерности этого влияния и предложена целесообразная форма отверстий.

Исследование выполнено на лабораторной установке для киносъёмки процесса распиливания, осуществляемого насос-форсункой судового дизеля б ЧН 30/38. Установка содержит прочный замкнутый корпус с тремя окнами - бомбу, в крышке которой размещена насос-форсунка. Привод осуществляется электродвигателе^ постоянного тока. Система автоматического управления установки обеспечивала включение-выключение в заданной последовательности электромагнитного переключателя цикловой подачи, осветительных приборов и высокоскоростной кинокамеры, имеющей неоновый отметчик времени. Контролировались температура и давление воздушного заряда, частота вращения кулачкового вала, а также давление впрыскивания топлива. Опытные сопловые наконечники были изготовлены в соответствии с рабочими чертежами, за исключением распиливающих отверстий, которые отличались í/.ежду собой формой входных и выходных частей. Это обеспечило для них единовременность впрыскивания, а следовательно, - идентичность условий по перепаду давлений, параметрам топлива и геометрии предсоплового канала -- колодца.

Опытная технология профилирования отверстий была следующей:

разрезание сопловых наконечников пополам для доступа к внутренним кромкам имеющихся цилиндрических отверстий; механическая обработка входных частей кернами и свёрлами с углами при вершине 30 , 60 и 90°; соединение половинок наконечников по доведённым поверхностям разреза и сварка по периметру на лазерной технологической установке; обработка выходных частей отверстий; напрессовывание на детали подкрепляющих кольцевых рубашек и' проверка герметичности.

В эксперименте использован плунжер диаметром 17 мм, который при частоте вращения кулачкового вала 375 мин"1 обеспечивал цикловую подачу 1,88 г тяжёлого топлива марки Ф-5, подогретого до температуры 353 К. Противодавление впрыскиванию со- " ставляло 2,2 МПа, что равно среднему давлению за период задеря-ки самовоспламенения. Максимальное давление впрыскивания для двух опытных сопловых наконечников составило 37 МПа и 41 МПа.

Количественная оценка влияния формы отверстий на процесс распыливания осуществлялась после обработки кинограмм по углу конуса и зависимости дальнобойности ££ топливных струй от времени с погрешностью, не превышающей, соответственно, 5 % и 2 % при доверительной вероятности 0,95.

В табл.1 представлены основные результаты эксперимента : средние относительные значения угла уЗ и дальнобойности^ за время 1,4 мс, равное периоду задержки самовоспламенения.

Таблица I

Сечение отв. и ТГГ 1] I V" У У у - /

£ 1,20 1,07 1,06 л,00 0,86 0,77 0,75

Л 0,92 0,97 1,02 1,00 1,16 1,09 1,71

Определено, что ;в условиях топливной аппаратуры дизеля б ЧН 30/38 распиливающие отверстия с коническим выводом на 7..20 % увеличивают угол _/3 и одновременно уменьшают на 3 .... 8 % дальнобойность струй . ионический вход даёт обратный эффект: повышаете^ на. 9... 16 %, но уменьшает уголна 14..25 Й.2ов-

местное действие конических входа и выхода отверстия характеризуется нормальной дальнобойностью и увеличенным на 6 % углои^в. Установлено, что вариацией формы распиливающих отверстий мояно управлять дальнобойностью и углом конуса струй - косвенной характеристикой качества процессов распиливания и смесеобразования. .

На основе глалила данных по профилирован™ отверстий сопловых аппаратов форсунок, исследования формообразования распиливающих отверстий к ло результатам эксперимента в бомбе была предложена их новая форма. Сйа представляет собой конфузор длиной переходящий в диффузор,и задаётся следующими конструктивными соотношениями:

Ь4 = / 0,75 ... 0,90 / I ; с[1 = / 1,25 ... 1,50 / с(2 ; с/3 = / 1,05 ... 1,30 /£/2 ,

где 'С - длина распиливающего отверстия;

диаметры отверстия во входном, среднем и выходном сечениях.

Протяжённый яон(*уоор центрирует и ускоряет поток топлива, а кромка в минимальном сечении и дифйузор способствуют его распаду. Угол распиливания увеличивается и, следовательно, достигается рациональное объёмное смесеобразование к моменту самовоспламенения топлива. Выбор наилучших для конкретных условий размеров распиливающих отверстий осуществляется в ходе испытаний на дизеле.

Четвёртая глава посвящена разработке нового способа и устройства для электроискрового профилирования малых отверстий и включает анализ материалов технологических испытаний.

Сущеетвенными признака!.;;! «тематической схемы предложенного способа являются: пересечение осей электрода-инструмента / ЗИ / и обрабатываемого отверстия; вращение заготовки или 31 относительно оси отверстия; осевая подача Ей.

Способ позволяет с одной установки непрофилированным ЗИ изготавливать малые отперстия ?орм поверхностей вращения, в частности, - сочетания конфузора и диффузора. Обработка любого из участков отверстия не нарушает профиля ранее пройденных участков. На рис.2 представлены схемы (Формообразования отвер-

Rio.2. Схемы электроэрозионного формообразования конических / Q / н цилиндрических / 6 / отверстий

стий для случая, когда угол ¡f пересечения осей ЭИ и отверстия не изменяется в процессе обработки, а во вращение приводится заготовка. На рис.2,5 представлен вариант реализации способа, позволяющий компенсировать погрешность электроэрозионного формообразования и изготавливать точные цилиндрические отверстия. Это обеспечивается внесением необходимой угловой коррекции fa и совмещением точки О пересечения осей с по' верхностью заготовки.

Представленные схемы электроэрозиошого профилирования малых отверстий могут быть реализованы на существующих копиро-валъно-прошивочных станках при разработке дополнительных устройств повышенной точности. Для рабочих позиций станка ЦНИТА 5II005 электроискрового прошивания распиливающих отверстий было спроектировано и изготовлено необходимое устройство с учётом следующих основных требований: универсальность по типам распылителей и вариантам сопловых аппаратов; широкий диапазон регулирования угла и положения точки пересечения осей ЭИ и отверстия для варигции его формы; прецизионное вращение заготовки относительно оси обрабатываемого отверстия.

6

7 6 8

Рие.З. Схема установки для электрозрозионного -профилирова-шш распиливающих отверстий / A.c. 5? 1682064 / •

На рис.3 изображена упрощённая схема устройства - полуавтоматической установки для электроэрозионного профилирования отверстий. Привод I служит для вращения заготовки 2 вокруг оси О. обрабатываемого отверстия. Заготовка закреплена в кондукторе 3, размещённом на салазках 4, зафиксированных на несущем элементе 5. Последний с помощью колец 6 с пазами установлен в подшипниках 7, которые вместе с соосно расположенным приводом закреплены в корпусе 8, связанном с поворотной парой 9, предусмотренной в стсле станка 10. Парой 9 задаётся угол ^Г пересечения осей 6,0 ЭИ II и отверстия, причём точка пересечения О лежит на оси поворота С . Точность изготовления установки обеспечила минимальное непересечение осей Ü. и С в пределах 0,005 мм. В установке предусмотрена возможность регулировочных смещений по осям Q. , С и 6 . Кондуктор содержит делительный диск, позволяющий обрабатывать на заготовке отверстия с различным угловым расположением в плане.

Настройка установки заключается в совмещении осей ЗИ и вращения заготовки с точностью 0,005 мм. Это обеспечивает в дальнейшем независимость регулирования по каждому из параметров с

помощью предусмотренных узлов. Задаются углы между осью распылители ß и отверстиями в диапазоне 0...90угол наклона их образующих / 0...25° /, положение заготовки относительно точки пересечения О / + 2 мм по оси / и высота ряда отверстий на заготовке.

При работе установки включается привод и осевая подача с вибрацие! Ж и разрядами в межэлектродном зазоре. После обработки одного отверстия заготовка поворачивается в кондукторе в следующее положение. Установлено, что стабильность процесса электроэрозии и высокие требования к точности профильных отверстий обеспечиваются,' если вращение заготовки согласовано с подачей ЭИ. Угол наклона оси отверстия к поверхностям входа и выхода должен быть около 90°.

Решена задача изготовления малых отверстий заданного продольного профиля при независимом регулировании их расположения на заготовке, наклона образующих и глубины залегания минимального сечения. С целью исследования закономерностей,определения оптимальных режимов, достигаемой точности и производительное?:' обработки профильных отверстий были проведены технологические испытания установки.'

Испытания включали электроэрозионное профилирование латунной проволокой диаметром 0,32 мм 190 отверстий глубиной 1,5 мм в 25 сопловых наконечниках с вариациями' по углу ¿f, глубине 12 при напряжении Ü от 200 до 250 В. В ходе эксперимента фиксировалось время обработки калвдого из отверстий для последующего определения производительности, а затем выполнялась размерная оценка по диаметрам dt , d¿ и d¡ . Установлено, что частота вращения заготовки 20 об/пгн обеспечивает устойчивость процесса электроэрозии при изготовлении отверстий требуемой форш. Рекомендуется следу-ций порядок профилированиягусхорен-шй подвод ЭИ к неподвижной заготовке; рабочая подача с вибрацией при вращении заготовки; калибровочный ход; отвод ЭИ в исходное положение. В результате изнашивания рабочий конец "7 заостряется, а его форт стабилизируется уже после обрабст:-:: нескольких отверстий. Однако при достаточной глубине калибрования это не искажает йгарму отверстий.

' ыборочный разрушавший контроль продольного сечения конических отверстий показал, .что образующие прямолинейны,а кромка в минимальном сечении несколько скруглена. Последнее фактически обеспечивает стабильность пропускной способности распыли-

вающих отверстий в эксплуатации.

Отределены значения необходимой узловой коррекции положения Ж для достижения требуемого наклона образующих отверстий. В пределах угла # 0...15° коррекция составила 0,6...1°, причём выполняется равенство ^ / "+" -

- прямой конус, - обратный /.

Анализ точности обработки выполнялся для 96 отверстий 12 опытных сопловых наконечников, изготовленных на стабильных режимах при вариации параметров ¿/ , 1г и ^ по результатам измерений диаметров , ^ и и^. Осуществлялось также сравнение с 24 отверстиями, изготовленными традиционным электроискровым прошиванием. Для восьми отверстий каждого наконечника, изготовленных при одной наладке, были определены средние диаметры и размахи в сечениях, а также среднее время обработки.

Установлены характеристики распределений отклонений диаметров Л (¿1 в контрольных сечениях отверстий, свидетельствующие о точности способа профилирования независимо от вариаций параметров ¿1 , и ¿г . Фактически это позволило определить исполнявши технологический допуск . -Распределения аппроксимированы кривыми закона модуля разности. Проверка по критерию Пирсона подтвердила их адекватность на уровне значимости не менее 0,95. В табл.2 представлены средние значения погрешностей Л с1\ +0,7 мкм , их среднеквадратические .отклонения 31, исполняемые для 99 % отверстий допуски А В минимальном сечении, являющемся функционально наиболее важным,

Таблица 2

„ *' Сеч. с Ас/1, мкм 51. мкм мкм

I 16,0 5,5 30

2 10,0 4,0 20

3' 14,8 5,3 27

* - основания конусов .отверстий

погрешность не зависит от разностенности соплового наконечника и может служить оценкой точности - электроэрозионного профилирования. Отклонение профиля продольного сечения, определяемое в нашем случае наибольшей угловой погрешностью 0,06°, соответствует восьмой степени точности. Таким образом,по сравнению с традиционной обработкой в 2...2,5 раза уменьшаются отклонения диаметра и формы распиливающих отверстий*

Выполнена оценка объёмной производительности электроэро -зионного профилирования для различных режимов и наладок. Средние объёмы отверстий определялись как суша объёмов двух усечённых конусов. Получены зависимости производительности Q от напряжения U при различных углах ¿f и глубинах t¿ .Установлено, что с увеличением всех этих параметров производительность интенсивно повышается. Это происходило при изменении рабочего напряжения от 173 В до 205 В, угла ¿Г от 0° до 7°, глубины 4 отЧ) до 0,8 мм. В целом, значения Q для профильных отверстий на 20...30 % меньше, чем при традиционной обработке цилиндрических отверстия. Оцнако с повышением напряжения до 210..250 В этот недостаток исчезает. Кроме того, обработку можно производить одновременно на нескольких рабочих позициях станка.

В результате выполнения работ, представленных в четвёртой главе, сделаны следующие выводы.

Предложен и обоснован способ точного электроэрозионного профилирования малых отверстий, предусматривающий взаимосвязанные перемещения заготовки и электрода-инструмента. Разработана и испытана полуавтоматическая установка для реализации предложенного способа применительно к распиливающим отверстиям форсунок дизелей. За счёт задаваемой коррекции утла пересече' ния осей электрода-инструмента и вращения заготовки происходит компенсация погрешности электроэрозионного формообразования и обеспечивается требуемый уровень точности / девятый квалитет / конических и цилиндрических отверстий. Объёмная производительность электроэрозионного профилирования находится на уровне традиционного прошивания.

Установлен оптимальный уровень параметров обработки при использовании латунных электродов-инструментов для распиливающих отверстий диаметром 0,3...0,6 мм и длиной I...2.5 мм:

- рабочее напряжение 250 В ;

- частота вращения затовки 0,3...О,5 ;

- полный ход электрода-инструмента 3 L .

Пятая глава посвящена сравнительному анализу ~ результатов испытаний опытных и серийных сопловых наконечников насос-форсунок джзеля g ЧН 30/36 по расходу топлива. Отличительной чертой опытных деталей является форма распиливающих отверстий в виде протяжённого конфузора, переходящего в диффузор. В главе обоснован выбор конструктивных соотношения и размеров отверстий для заданных условий испытаний, приведены краткие характеристики оборудования, методика и анализ результатов эксперимента.

Испытательный стенд состоял из дизеля, гидротормоза для его нагружения и аппаратурного оснащения контроля характеристик работы. Опытный цилиндр оборудован индикатором типа МАИ-2 для снятия диаграмм изменения давления за рабочий цикл,а также индивидуальной системой измерения расхода топлива. Температуры топлива, воздуха, воды, масла и выпускных газов : автоматически Фиксировались в виде термограмм приборами КСП-4, определялись, также, пиметрическое и наибольшее давления по всем цилиндрам.

Оснащение стенда позволило контролировать уровень тепловой и динамической нагрузки, определить удельный индикаторный расход топлива в{ , проанализировать по диаграммам / давления рабочий процесс и оценить степень его совершенства. Испытания выполнялись на режимах 60, 80 и 100 нагрузки при 715 об/мин.

Регулирование утзлов дизеля с опытным сопловым наконечником обеспечило допустимые значения и неравномерность распределения по цилиндрам цикловых подач, скорости нарастания и максимальных давлений, температур выпускных газов.

Расход топлива ВL рассчитывался по экспериментальным значениям часового расхода & , среднего индикаторного ..давления pi и частоты вращения коленчатого вала П.^ по формуле:

b*z&/(2nlPiV);

где V - рабочий объём цилиндра;

Z - коэффициент тактности.

Суммарная предельная относительная погрешность определения расхода ßi составила 1,5 %. Установлено, что применение опытного соплового наконечника вместо серийного снижает удельный индикаторный расход топлива на контрольных режимах работы дизеля б ЧН 30/38, в частности, на основном номинальном на 4,7 %. Повышению экономичности дизеля способствует новая форма рас-

пыливающих отверстий, полученная благодаря электроэрозионному профилированию.

С помощью программной обработки выполнен сравнительный анализ экспериментальных развёрнутых диаграмм на тепловыделение путём решения уравнения индикаторного процесса. Построены графики изменения температуры, относительного количества теплоты и интенсивности её вццеления. Это позволило установить физические причины появления положительного эффекта.

Применение опытного соплового 'наконечника уменьшает период задержки самовоспламенения, что связано с увеличением угла и улучшением дисперсности распиливания и, следовательно, положительно влияет на полноту сгорания топлива. В наиболее благоприятных условиях высоких давлений и температур в цилиндре от ?.м.т. до 30° п.к.в. сгорает на 9 % / от цикловой . подачи / больше топлива, чем при серийном наконечнике, и сгорание заканчивается несколько раньше.

Установлено, что с помощью опытного соплового наконечника улучшается организация процессов смесеобразования и сгорания без форсирования по давлению, скорости его нарастания и температуре в цилиндре. Благодаря этому достигается экономия топлива на номинальном и долевых режимах работы дизеля.

- Сходные положительные результаты были получены позже и для дизеля типа ДН 23/30.

ВЫВОДЫ

. I.-,Анализ процесса изготовления распылителе.! форсунок показал, чт.о требуема* степень точности формы и расположения рабочих прецизионных поверхностей обеспечивается при учёте технологической наследственности и коррекции припусков и допусков на операциях предварительной обработки.

2. Предложена методика контроля профиля продольного сечения распиливающих отверстий,включающая изготовление илифов на образце-распылителе и измер-ние на микроскопе длинн и глубины залегания малых осей эллипсов,образующихся в плоскости шлифа.

3. Установлено, что существенным недостатки.', применяемых методов обработки распиливающих отверстий являются значительные отклонения формы в виде бочкообразности при сверлении и конусообразности при электроискровом способе. отклонения формы вызывали неконтролируемое ранее нарушение допуска

\

на диаметр отверстий / превышение в 2...3 раза /, что ухудшало качество распиливания и повышало расход топлива в эксплуатации. 1 4. Построена математическая модель,позволившая определить погрешности формообразования при сверлении распиливающих отверстий диаметром 0,5...О,7 мм на различных режимах. Установлено , что требования к точности / 9 квалитет / обеспечиваются при сверлении в два перехода: зацентровка коротким 4ёстиш сверлом входной части отверстия и последующее рассверливание на полную глубину сверлом большего диаметра.

5. сЬспериыенталько определено, что профилирование распиливающих отверстий шогоструйныт дизельных форсунок является эффективным сродством повышения качества распиливания. Предложена целесообразная, форма распиливающих отверстий: протяжённый конфузор, переходящий в диффузор.

6. Разработан способ электроэрозионного профилирования малых отверстий при одностороннем доступе, предусматривающий пересечение осей отверстия и электродной проволоки и вращение заготовки относительно оси отверстия, согласованное с осевой подачей прозолоки.

7. Предложена и испытана полуавтоматическая установка для злектроэрозионного профилирования распиливающих отверстий, отличающаяся независимым регулированием их расположения на заготовке, наклона образующих к глубины залегания минимального сечения. Применение установки обеспечило повышение точности элек-уроарозлонной обработка распиливающих отверстий до 9 нвалитета. Рекомендованы следующие значения параметров обработки: . напряжение 250 В; частота вращения заготовки 0,3...0,5 полный ход электрода-инструмента / проволоки / 3 длины отверстия.

8. Определено, что предложенная ..койфузорно - диффузорная форма распиливающих отверстий, получение которой стало возможным благодаря электроэрозионноиу профилированию, . способствует повышение полноты сгорания и снижению расхода топливаадизеле.

5. Практические результаты работы: внедрены технологические рекомендации по повышению точности формы и расположения прецизионных поверхностей распылителей Форсунок дизеля типа ЧН 16/17; разработана технология электроэрозионного профилирования распиливающих отверстий форсунок,она реализована на станке ЦНЙТА 5П005; предложены опытные распылители с конфтузорно-диф-Фузсрнкми отверстиями, позволившие снизить расход топлива в дизелях типа ЧН 30/30 и ДН 23/30. •

Основное содерпание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Нечипоренко Д.В. Надёжность топливной аппаратуры судовых дизелей компании 5.Е.М. Т.-. - Судостроение за рубежом, 1986, Р 8, с.50-52.

2. Разработка технологически?: способов повышения качества распылителей форсунок / закл. отчёт /: ЖИ. Р П3 0184.0009702.

- Л., 1986, 39 с.

3. Балдаев В.А., Гершман А.Ш., Нечипоренко Д.В. Влияние явлений технологической наследственности на точность обработки и сборки распылителей форсунок: Тез. докл. Всесоюзн.конф. "Современные проблемы технологии машиностроения", - М., 1986, с. 214-215.

4. Балдаев В.А., Гершман А.Ш., Нечипоренко Д.В. Качество заготовок распылителей форсунок как фактор технологического наследования. - Двигателестроение, 1987, Р 6, с.39-40,57.

5. Валцаэв В.А., Гершман А.Ш,, Нечипоренко Д.В. Обоснование технологии изготовления соплового аппарата форсунок судовых дизелей. - Труды ЛКИ: Механизация тяжёлых и трудоёмких процессов в машиностроении, 1987, с.109-116.

6. Совершенствование рабочего процесса многотэпливного дизеля типа ЧН 30/38 / II этап /:, ЛКИ.. Р ГР 0184.0041132,- Л., 1987, 36 с.

7. Нечипоренко Д.В, Профилирование сопловых огверстий форсунок для улучшения топливоподачи в дизеле. - 'Груды ЦН11ТА:Проблемы повышения технического уровня дизелей, 1989, с.124-130,

8. Нечипоренко Д.В, Технологическое наследование погрешностей обработки при изготовлении прецизионных деталей: Тез. докл. II конф. "Научные проблемы современного машиноведения",-

- Л., 1988, с.22,

9. Нечипоренко Д.В. Устройство для электроэрсзиснной обработки. А.с. Р 1682064 / СССР /, 5323Н9/14 - * 4662700/08; Заявл. 15.СВ.89; Опубл. 7.10.91, ЕИ Р 37.

10. Нечипоренко Д.В. Распылитель форсунки дизеля. 5КС2М61/ /10. Положительное решение ГНТЭИ по заявке Р 4758515/06 /' 14. 11.89 / от 27.03.91.

ТОО "Пегас". 3ак.438. Тир.80