автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка технологии безабразивной комбинированной прецизионной обработки сопрягаемых поверхностей

На правах рукописи

КЛИМЕНЧЕНКОВ Алексей Александрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БЕЗАБРАЗИВНОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ПРЕЦИЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ СОПРЯГАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальности: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Воронеж - 2015

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Смоленцев Евгений Владиславович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» ВГТУ

Козлов Александр Михайлович,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Технология машиностроения» Липецкого государственного технического университета;

Гребенщиков Александр Владимирович,

кандидат технических наук, зам.главного инженера «ВМЗ» - филиала ФГУП ПСНПЦ им. М.В. Хруничева

ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет»

Защита состоится «15» апреля 2015 г. в 12°° в конференц-зале на заседании диссертационного совета ДМ212.037.04, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (ВГТУ), ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» (БГТУ), ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ), по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп.,14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» и на сайте www.vorstu.ru

Автореферат разослан «19» февраля 2015 г.

Ученый секретарь ____

диссертационного совета У Кириллов О.Н.

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

РОССИЙСКАЯI ГОСУДАРСТВЕННАЯ I БИБЛИОТЕКА I _¿015__|

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Во всех отраслях машиностроения широко используются изделия, имеющие запорные устройства для регулирования, отсечки и подачи жидких, газожидкостных и газообразных сред. К ним относятся клапаны, шиберы, дроссельные устройства. Многие из таких изделий работают при высоких перепадах давлений, а в нефтехимической, авиационно-космической отраслях запорные устройства служат для подачи (или перекрытия) агрессивных, пожаро- и взрывоопасных сред, где не допускается даже незначительное их перетекание. К особенностям таких изделий относятся: содержание в узле сопрягаемых деталей с индивидуальной геометрией, высокая чистота обработки участков проточной части, необходимость противодействия агрессивным средам и изменению формы сопрягаемых деталей при импульсивных (ударных) воздействиях протекающих сред. Между тем, при изготовлении современных запорных устройств применение абразивных составляющих притирочных паст снижает ресурс и эксплуатационные показатели изделий из-за возможности шаржирования сопрягаемых поверхностей. С другой стороны, без режущих микрогранул не удается эффективно удалять припуски на начальном этапе обработки сопрягаемых поверхностей или притирочные операции становятся чрезмерно трудоемкими.

Известны попытки замены механической доводки сопрягаемых участков технологическими приемами с использованием электрических методов обработки. Однако на современном этапе исследований не удалось получить стабильных результатов по точности сопряжения и шероховатости поверхности. Поэтому такая технология получила использование главным образом в мелкосерийном ремонтном производстве, в основном в нефтехимической и авиационно-космической отрасли, где конечные показатели обработки во многом определяются высокой квалификацией исполнителей, работающих в указанных отраслях, и где трудоемкость изготовления объектов не является определяющей.

Сопрягаемые поверхности запорных устройств обычно подвергаются упрочняющим операциям (наплавка, цианирование, азотирование, цементация и др.), вызывающим коробление деталей и высокие остаточные напряжения поверхностного слоя, что в процессе выполнения притирочных операций дает предпосылки

образования микродефектов, вызывающих недопустимое перетекание сред в устройствах. В процессе испытания электроэрозионной, электрохимической и комбинированной безабразивной доводки сопрягаемых поверхностей была установлена возможность обеспечения стабильной герметичности запорных устройств на макро- и микроуровне путем обоснованного назначения технологических режимов. Однако до настоящего времени не известно методов проектирования таких режимов и создания на их базе технологических безабразивных процессов получения беззазорных сопрягаемых поверхностей, отвечающих требованиям эксплуатации запорных устройств. Получение качественных устройств такого назначения является актуальным для машиностроения, в том числе при серийном производстве оборудования для нефтехимии, транспортной и бытовой техники.

Работа выполнялась в соответствии с национальным проектом «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Постановление Правительства РФ №568 от 26.07.2008г.)

Целью работы является обоснование выбора и создание методов расчета технологических режимов безабразивной притирки с наложением электрического поля, создание на их базе методологии проектирования технологических процессов получения беззазорных запорных устройств, исключающих перетекание любых сред на макро- и микроуровне в течение всего срока эксплуатации изделий и открывающей возможности восстановления работоспособности устройств без переборки изделий.

В процессе выполнения работы поставлены и решены следующие задачи:

1. Установление связей между характеристиками поверхностного слоя металлических сопрягаемых деталей с режимами электрических методов обработки, применяемых для отделочных операций.

2. Раскрытие механизма удаления неровностей на микро- и макроуровне с сопрягаемых поверхностей и разработка методики расчета технологических режимов, обеспечивающих эксплуатационные требования к запорным устройствам.

3. Оценка возможностей и разработка путей стабилизации режимов обработки с наложением электрического поля, дающих гарантии получения в зоне сопряжения микро- и макрогеометрии поверхностного слоя, исключающей нарушенне герметичности

сопряжений.

4. Методология проектирования технологических процессов с адаптацией режимов их использования к конкретным материалам и конструкциям запорных устройств.

5. Разработка рекомендаций по проектированию средств технологического оснащения для создания серийных производств по безабразивной притирке при изготовлении сопрягаемых элементов запорных устройств.

Научная проблема, решаемая в работе. Отсутствие информации о механизме безабразивной комбинированной доводки микропрофиля сопрягаемых металлических поверхностей, что не позволяет получать качественные запорные устройства, работающие при высоких перепадах давлений в агрессивных средах

Научная новизна работы включает:

1. Создание нового (на уровне изобретения) способа получения беззазорных сопрягаемых поверхностей без использования абразивного инструмента, где в качестве инструмента используются сами сопрягаемые детали, а локальный съем неровностей выполняется управляемым сочетанием в комбинированном процессе механической и низковольтной электрической составляющей способа.

2. Обоснование возможности и разработка механизма управляемого локального съема припуска при напряжениях, ниже принятых для электрических методов обработки, обеспечивающего стабильное протекание процесса без применения абразивных частиц и без нарушения качества поверхностного слоя за счет регулирования контактных давлений сопрягаемых поверхностей по алгоритмам, оперативно учитывающим состояние зоны обработки и параметры электрического поля.

3. Механизм депассивации сопрягаемых поверхностей в период воздействия электрического поля, учитывающий суммарную проводимость в зазоре оксидной пленки, свойственной материалам сопрягаемых деталей, и жидкой рабочей среды, а также переменную величину воздействия безабразивной депассивации локальных участков, управляемую контактным давлением сжатия электродов в зависимости от состояния в процессе обработки поверхностного слоя мест сопряжения деталей.

4.Механизм формирования поверхностного слоя в беззазорных соединениях за счет поддержания параметров низковольтного

электрического поля на границе появления локального растворения материала деталей путем сочетания в реальном масштабе времени величины контактного давления и формирования в зоне сопряжения предельной плотности электрического поля, не вызывающей нарушения сплошности поверхностного слоя в месте сопряжения деталей.

5. Методологию проектирования технологического процесса безабразивной приработки беззазорных сопряжений, отличающуюся введением в процесс параметров для динамического управления интенсивностью удаления припуска на макро- и микроуровне по сигналам обратной связи, адаптированных к площади контакта сопрягаемых поверхностей по времени их обработки.

Методы исследования. Методическую базу для научных исследований составили научные основы электрических методов обработки, теория массовыноса при электрохимической размерной обработке, научные основы технологии машиностроения, теория электрохимической размерной обработки в нестационарном режиме, классические методы исследования технологических показателей на чистовых этапах механической обработки. При выполнении работы использовались современные измерительные средства, оригинальные установки, созданные по патентам соискателя, вычислительная техника.

Достоверность результатов. Подтверждается полученной доказательной базой, применением классических закономерностей, хорошей сходимостью экспериментальных и теоретических результатов, подтверждением основных положений в процессе внедрения результатов на нескольких предприятиях машиностроения.

Практическая значимость результатов работы состоит в:

1.Новом способе получения беззазорных сопряжений, что позволило исключить негативное воздействие абразивных частиц, применяемых при притирке, на эксплуатационные характеристики запорных устройств, а также ускорило технологическую подготовку производства и запуск новых изделий за счет замены специальных электродов - инструментов сопрягаемыми деталями, в том числе находящимися в рабочем положении на запорном устройстве.

2.Раскрытом механизме депассивации мест сопряжения, что позволило стабильно получать сплошные беззазорные поверхности, обеспечивающие надежное перемещение сопрягаемых деталей и

отсутствие перетеканий жидких, газообразных и газожидкостных сред (в том числе агрессивных), в течение всего установленного срока эксплуатации запорных устройств в различных отраслях техники, в том числе в нефтехимии, изделиях авиационно-космического назначения.

3.Разработанных рекомендациях по проектированию технологических процессов безабразивной притирки сопрягаемых поверхностей запорных устройств, что позволило создать серийное производство механизмов для транспортировки под высоким давлением агрессивных сред в магистралях трубопроводов и средствах подачи топливных компонентов в условиях низких температур, вибрации, высоких уровнях ускорений механизмов запорных систем.

Лнчный вклад соискателя включает:

1.Создание и патентование интеллектуального продукта в форме нового способа и устройства для его осуществления с обоснованием их применимости и экономической эффективности в нефтегазовой и авиационно-космической отрасли.

2.Структуру и математическое описание процессов, протекающих при комбинированной безабразивной притирке сопрягаемых поверхностей с гарантированным сохранением сплошности и требуемых параметров качества материалов сопрягаемых деталей.

3.Разработку режимов притирки при низких напряжениях технологического тока, достаточных для локального удаления неровностей, и безопасных для обеспечения качества материалов сопрягаемых поверхностей в течение всего времени эксплуатации запорных устройств в том числе при экстремальных воздействиях.

4.Методологию проектирования технологических процессов комбинированной обработки сопрягаемых поверхностей, учитывающей условия эксплуатации и технико-экономические показатели нового способа в серийном производстве запорных устройств.

5,Организационные мероприятия при внедрении в серийное производство предложенного нового способа безабразивной доводки и устройств по изготовлению конкурентоспособных запорных устройств, их испытаниях в условиях, приближенных к эксплуатационным, сопровождению изделий у потребителя.

б.Использование опыта разработки и изготовления запорных устройств при подготовке специалистов всех уровней через средние и высшие учебные заведения г. Воронежа и других городов.

7,Обоснование возможностей расширенного использования разработанной технологии в различных отраслях машиностроения при разработке и изготовлении изделий нового поколения промышленной продукции.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на международных, отраслевых и региональных конференциях в стране и за рубежом, в том числе: 6-й международной конференции «Технология финишной обработки прецизионных поверхностей, кромок и удаление заусенцев - 2000» (СПТУ, Санкт-Петербург, 2000); международной конференции ТМ-2010 (ВГТУ, Воронеж, 2010); международной конференции «Управление качеством» (МАМИ, Москва. 2013); международной конференции ТМ-2013 (ЮЗГУ, Курск, 2013); международных конференциях ССП-2012, 2013, 2014 (ВГТУ, Воронеж, 2012; 2013, 2014); международной конференции «Технология 2012» (ОГТУ, Орел, 2012); международной конференции «Наукоемкие комбинированные и виброволновые технологии обработки материалов» (ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2013); международной конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Росвертол, Ростов-на-Дону, 2013); международной конференции «Современные проблемы производства и ремонта в промышленности и на транспорте» (Украина, Свалява, 2012); международной конференции «МК-12-ММФ» (ЛГТУ, Липецк, 2013); международной конференции ТМ-2012 (РГАТУ, Рыбинск, 2012); международной конференции «18 International ColloquiumTribology» (Stuttgart, 2012), конференции «Перспективы развития авиационного оборудования и агрегатов» (Концерн «Авиационное оборудование», Москва, 2012); на областных и региональных семинарах ВГТУ, НИИАСПК и др.

Реализация работы. Работа внедрена на Воронежском механическом заводе; в ООО НПО «Нефтегаздеталь»; ООО ФПК «Космос - Нефть - Газ», в учебный процесс ВГТУ, КГЭУ (г. Казань).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [I] модель

формирования профиля при комбинированной обработке; [2] -принципы построения процесса контактно-электрохимической обработки; [3] - выбор параметров комбинированной обработки неподвижными электродами; [4] - обоснование критериев оценки тонких слоев в месте контакта деталей; [5] - механизм формирования шероховатости, получаемой при комбинированной чистовой обработке; [6] - процессы, протекающие при использовании электролитов с малым перемещением среды; [7] - влияние остаточных напряжений на деформацию длинномерных деталей; [10], [11] - критерии оценки долговечности контактных поверхностей; [12] - оценка влияния внешних воздействий на высоконапряженные детали; [13] - оценка уровня воздействия электрического поля при комбинированной притирке; [14] -показаны возможности комбинированной прецизионной обработки; [15] - обоснование рациональной области использования комбинированной технологии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, 4 главы, заключение, приложения и список литературы из 136 наименований. Основная часть работы изложена на 158 страницах с 54 рисунками, 16 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту, показана научная и практическая значимость материалов диссертации.

В первой главе приведен анализ известных методов получения сопрягаемых поверхностей. В результате анализа установлено:

1 .Механическая притирка сопрягаемых деталей с использованием абразивных паст получила наибольшее распространение, т.к. не требует сложного оборудования, обеспечивает высокие технико-экономические показатели процесса. Но в случае применения этого метода для запорных устройств, работающих в условиях интенсивных течений агрессивных сред, их надежность и ресурс снижается. Поэтому требуется обоснование, поиск и создание принципиально новых способов чистовой притирки металлических контактных поверхностей, исключающих применение абразивных сред. Для этого необходимо установить связи между

характеристиками поверхностного слоя сопрягаемых деталей с режимами комбинированной обработки, обеспечивающими технологические показатели не ниже, чем при традиционных методах притирки.

2.В литературе, в том числе по электрическим методам обработки, исследования затрагивали технологические показатели по шероховатости более 0,5 мкм, по погрешности - свыше 50 мкм, что находится за границами требований к сопрягаемым деталям запорных устройств. Поэтому необходимо создать механизм удаления микронеровностей и предложить пути повышения точности до требуемого уровня при безабразивной притирке поверхностей запорных устройств.

3.В доступных источниках практически не рассматриваются эксплуатационные характеристики запорных устройств, полученных по технологии безабразивной притирки поверхностей, что не позволяет обосновать параметры различных воздействий комбинированных процессов с наложением электрического поля.

4. Отсутствуют материалы, позволяющие спроектировать технологические процессы комбинированной обработки, что затрудняет использование новых методов для притирки сопрягаемых поверхностей высокоресурсных запорных устройств, которые являются типовыми деталями для широкой номенклатуры изделий машиностроения (плунжеры, гидроаппаратура, в том числе авиационных и космических изделий и др.).

5.Не учитывается специфика средств технологического оснащения для реализации технологических процессов притирки с наложением электрического поля, что требует разработки методических материалов по проектированию инструмента и приспособлений с учетом обеспечения лучших технико-экономических показателей предложенных способов притирки без применения абразивного инструмента.

Из состояния вопроса по теме диссертации вытекают задачи исследований, приведенные во введении работы.

Во второй главе обоснованы пути и методы решения поставленных задач. Для этого сформированы научные гипотезы, которые легли в основу проводимых исследований:

1. Снижение высоты неровностей контактных поверхностей сопряженных деталей до требуемой величины без использования абразива возможно, если реализовать схему беззазорной

комбинированной обработки с использованием механической депассивации контактной зоны и управляемого электрического поля в форме импульсов или постоянного воздействия.

2. Для управления электрическим полем при контакте возможно использовать параметры низковольтного технологического тока, дозировано подаваемого в зону обработки по единому алгоритму перемещения в процессе притирки сопрягаемых деталей и количества подаваемого тока, определяющего скорость съема микронеровностей на притираемых участках.

3. Дозирование механической и электрической составляющих комбинированного процесса позволяет получить высокоресурсное качественное сопряжение, где гарантированно отсутствует шаржирование контактных поверхностей, способное нарушить герметизацию и требуемый ресурс изделий.

4. Моделирование на образцах процесса безабразивной притирки с наложением электрического поля позволяет учесть специфику работы запорных устройств и оценить их технико-экономические показатели, задаваемые разработчиком при создании перспективной конкурентоспособной техники новых поколений, где используются точные сопрягаемые элементы, работающие в условиях неблагоприятных внешних воздействий.

Исходя из предложенных гипотез оценены технологические возможности предлагаемых методов обработки, базирующихся на оригинальных идеях, часть которых защищена охранными документами, в том числе патентами с участием соискателя.

Обоснованы пути достижения поставленных целей за счет теоретических и прикладных исследований на созданных средствах технологического оснащения, что позволило разработать структуру технологических процессов притирки, охватывающую типовые детали машиностроения.

Приведен алгоритм достижения поставленной в работе цели путем решения задач исследований.

В третьей главе решены задачи, касающиеся теоретических вопросов по созданию механизма безабразивной притирки сопрягаемых поверхностей с использованием электрического поля.

Запорные устройства могут быть выполнены с доводкой без использования абразивных материалов путем двухэтапного микро- и макроудаления припуска комбинированным методом с наложением электрического поля.

На первом этапе происходит эрозионно-химическое удаление макро- и микронеровностей со съемом выступов за счет, в основном, анодного растворения металла с вершин неровностей обеих сопрягаемых поверхностей (рис.1).

На обеих сопрягаемых деталях (рис.1) перед доводкой имеются неровности, вызванные погрешностями предшествующей обработки, и микронеровности. Сопрягаемые детали (1 и 2 на рис.1) являются электродами, к которым подключены источники тока (6 и 8 на рис.1). В среде слабопроводящей жидкости (5) при сближении деталей 1 и 2 до контакта окисных пленок 3 и 4 происходит электроэрозионный микросъем до границ 1-1 и 11-11, которые могут обеспечить сопряжение деталей на наноуровне точности.

сопрягаемые детали; 3; 4 - окисная пленка; 5 - слабопроводящая жидкая среда; 6 - RC генератор импульсов; 7 - переключатель полярности; 8 - источник низковольтного тока; 1-1; II-II - границы сопрягаемых поверхностей после первого этапа обработки; А-А; Б-Б - наружная поверхность окисной пленки; Р-давление на сопрягаемые поверхности; V-скорость взаимного перемещения сопрягаемых поверхностей.

В процессе притирки (рис. 2) имеющиеся на контактных поверхностях микролунки (а) выравниваются за счет комбинированного воздействия серии разрядов и анодного растворения выступов (б). Как видно из рис. 2, под действием электрических разрядов на поверхности сопрягаемых деталей возникают неровности в форме сферических лунок (рис. 2).

////;/////,/ ' < У-V /у

\ \ \

а) б)

Рис. 2 Микрогеометрия поверхности после первого этапа обработки: а) - положение сопрягаемых поверхностей 1 и 2; б) - изменение формы микролунки за счет анодного растворения выступа неровности. И - глубина микролунки; - высота микронеровности после серии эрозионных разрядов; - высота неровностей в конце первого этапа обработки; Ол- диаметр лунки

Часть из них позволяет удалять геометрические погрешности профиля, другие формируют микронеровности, определяющие чистоту поверхности (Яг на рис. 2,6). Электрохимическая составляющая комбинированного процесса способствует (рис. 2,6) сглаживанию микропрофиля и снижению неровностей до наноуровня (на окончательном этапе доводки). Соотношение между диаметром (<1п) и глубиной (И на рис. 2,а) зависит от режимов обработки. При этом глубина (Ь) определяет запас жидкой рабочей среды (рис. 1) и длительность протекания анодного процесса, регулируемого скоростью перемещения сопрягаемых деталей.

На втором этапе доводки используется только анодное растворение при низком знакопеременном напряжении от источника 8 (рис. 1) с преимущественным удалением мест сопряжения лунок, образовавшихся после первого этапа обработки (рис. 2). Затем формируется поверхность с точностью и микронеровностями на наноуровне. Механическая депассивация зоны обработки и низкое напряжение от источника тока позволяют избежать межкристаллитного растравления зоны обработки.

В четвертой главе раскрыта реализация теоретических исследований для создания технологии комбинированной безабразивной притирки сопрягаемых деталей запорных устройств.

Основное внимание уделено разработке методики расчета технологических режимов электроэрозионной, электрохимической и комбинированной притирки.

Предложена зависимость для оценки диаметра зоны действия разряда, который для чистовой электроэрозионной обработки может

быть аппроксимирован диаметром лунки <1п.

/

с/. = Кп

"■о

А„

(I)

где А" =--(2)

S(m - 0,5л) + 0,5п

Здесь L, Ко, m, п - эмпирические коэффициенты;

S - межэлектродный зазор, измеряемый толщиной окисной

пленки; Аи - энергия импульса. Для RC схемы д =rj[££l. (r|r

коэффициент полезного использования энергии. tii<0,4); С - емкость конденсаторов импульсного генератора RC схемы. U - напряжение на электродах (при сверхмалых зазорах U=10-20B); т„ - длительность импульса.

(3)

qf

где q - скважность импульсов, принимаемая как отношение периода повторения к их длительности. Изменяется в диапазоне 2-10 (уточняется экспериментально); f - частота следования импульсов. Приближенно f = 0,837/RC. Здесь R - регулируемое сопротивление RC - генератора.

Для определения энергии импульса необходимо установить величину минимального межэлектродного зазора («S» в (2)), который зависит от толщины окисной пленки. Такие пленки образуются под действием тока и представляют из себя материалы, близкие к полупроводникам. Толщина пленки (Н) зависит от свойств обрабатываемого материала и в классическом понимании выражается через энергию разряда (Аи), постоянную Больцмана R и температуру (Т).

Н =К1Ге-А"Гяг-ти, (4)

где Кн - размерный коэффициент, учитывающий скорость нарастания пленки в зависимости от свойств материала.

Предельная толщина окисных пленок для никелесодержащих сплавов составляет до 15-30 нм, а у титановых материалов - до 50-60 нм. Следовательно межэлектродный зазор (S) будет близким к этим

величинам и для получения пробоя импульса достаточно напряжения даже менее 10 В. Осциллографирование показало, что при таких напряжениях возможно появление тлеющих разрядов, не вызывающих образования лунки. Поэтому взаимное перемещение сопрягаемых поверхностей под давлением сжатия позволяет утонить пленку и получить локальные участки проводимости, где могут формироваться микроразряды.

Расчет с учетом формулы (1) позволяет оценить глубину лунки И (рис. 2), которая составляет

Ь=К„-с1л, (5)

где Кь - коэффициент. Для сталей Кь = 0,25-0,35 Величина «И» ограничена припуском (го) на окончательную обработку

Ь<2о-5 (6)

где 5- погрешность поверхности после первого этапа доводки. Эта величина составляет 3-4 мкм. Отсюда припуск на окончательный этап составит Ъо= Ь+ 8 и не превышает 5-6 мкм.

По глубине лунки можно установить величину Яг (рис. 2), на оценку который влияет анодная составляющая процесса (рис. 1), и появление в пространстве между сопрягаемыми поверхностями нано- и микрочастиц материала обрабатываемого электрозионным методом. Степень их накопления зависит от площади сопрягаемых участков, скорости перемещения контактных элементов, режимов эрозионной обработки.

Анодное растворение (рис. I) способствует выравниванию микроповерхности на чистовых режимах комбинированного процесса, позволяет снизить высоту неровностей на 20-30%, что может быть учтено коэффициентом К2=0,7-0,8.

Величина Яг,,, полученная без учета влияния частиц и анодной составляющей комбинированного процесса (рис. 2,6), может быть вычислена по эмпирической формуле.

Яъ>= I 2 )__, (7)

„ ¿л .

где (3 - коэффициент перекрытия лунки р = —, (/ - расстояние между соседними лунками) на чистовом этапе обработки (3 = 0,7-0,8.

12

С учетом воздействия нано и микрочастиц, а также анодной составляющей процесса высота микронеровностей (Яг на рисунок 2, б) может быть оценена по зависимости

Яго КгК.^ • К, • К2 (8)

2.

Для сплавов на базе железа и меди закон изменения величины лунки близок к линейному и при предельной концентрации частиц увеличение Яг может учитываться постоянными коэффициентами К| (для сталей К |=1,15-1,16, для медных сплавов К |=1,25-1,3, алюминиевых К|=1,55-1,6).

Отсюда можно найти величину емкости конденсаторов (С) при обработке с генератором ЯС-схемы

С =

'л. 43

Кзи

(9)

где К3 - коэффициент.

Если принять форму нано- и микрочастиц сферической, то при заполнении пространства между электродами с концентрацией «ср» время (т0) цикла очистки пространства составляет.

Ул-<р

т0=---. (Ю)

(а + ЬС)иК1К2К4

где Ул - объем лунки; а, Ь, К4 - коэффициенты. Здесь К4 -учитывает условия обработки (рабочую среду, схему обработки, частоту следования рабочих импульсов), <р - характеризует степень заполнения лунки глубиной Ь продуктами обработки. Для сферических частиц <р = 0,6-0,7.

Период переключения полярности (т,) для электроэрозионной и электрохимической составляющей комбинированного процесса зависит от времени очистки межэлектродного пространства и высоты неровностей каждой сопрягаемой поверхности перед притиркой.

Если эти показатели близки, то

1

Т|=-Т0= ----(11)

2 (а + ЬС)ЦК,КгК,

Тогда скорость перемещения контактных поверхностей, необходимую для удаления продуктов обработки, можно оценить по зависимости

V.! ' (р

Давление прижима (Р на рис.1) должно регулироваться по величине тока между контактными поверхностями. Для стабильного протекания процесса электроэрозионной обработки необходимо иметь среднюю плотность тока 0) не менее 0,01 А/мм2. При площади контактных поверхностей (Рк) контрольный параметр (ток I) составляет

Н-Рк (13)

Окончательный этап доводки осуществляют анодным растворением на переменном токе с напряжением 3-4 В от источника 8 (рис. 1). Размеры частиц продуктов обработки при доводочных режимах не превышают 100-1000 нм, а их объем в 150-200 раз больше объема снятого металла.

Если принять объем продуктов обработки (гидроокислов, газов и паров жидкости) в пространстве между лунками при их противостоянии как 2 УЛ, то перед окончательным этапом доводки объем (Ум) снимаемого с контактной поверхности вблизи лунки металла не может превышать

IV

у»=—, (14)

<Ру

где ф| - отношение объемов продуктов обработки в лунке к объему снимаемого металла вблизи лунки (ф| = 150-200).

По мере выравнивания микроповерхности (рис. 2,6) объемы лунок будут снижаться, а высота неровностей (Яг) уменьшаться до 20-30 нм. Из (14) следует, что скорость анодного растворения в конце доводки будет измеряться нанометрами в единицу времени, а контрольный параметр - длительность процесса (т,)- для обеих сопрягаемых поверхностей составит

Г„<Р2 + 5н Ъ>г + 5и ) + 2 1

ПаХ(и-Аи) 1 (15)

где у„- плотность обрабатываемого материала; ср2 - коэффициент, учитывающий скорость выравнивания поверхности при неравномерном припуске. Для окончательного этапа доводки (р2 = 1,1-1,2. Ягн - высота неровностей; после первого этапа доводки (Кгн= 0,8-3,2 мкм); 8Н - погрешность в начале второго этапа доводки (0,1-1,0 мкм); 11 - выход по току. Для очень малых зазоров г| на 10-

г.

20% ниже, чем приведено в рекомендациях; а - электрохимический эквивалент обрабатываемого материала (справочные сведения); % -удельная проводимость рабочей среды. Если обработка выполняется в промышленной воде, то можно выбрать электропроводность для концентрации солей около 1%. и - напряжение на электродах. В рассматриваемом случае и = 3-4 В. Ди - потери напряжения (в основном, омические в межэлектродном пространстве). При малых зазорах потери напряжения составляют ди = 1-2,2 В. Время протекания окончательного этапа доводки может составлять десятки минут (рис. 3), в то время как длительность первого этапа не превышает 1-2 минут.

Процесс прошел промышленную апробацию и внедрен на трех крупных предприятиях г. Воронежа, в том числе на механическом заводе. Получен реальный экономический эффект.

Время, мин

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Разработаны новые (на уровне изобретений) способ и устройства для его использования, позволившие реализовать безабразивную притирку сопрягаемых поверхностей из металлических материалов с низкой обрабатываемостью механическими методами и стабильно получать работоспособные беззазорные запорные устройства при снижении трудоемкости на операцию до 5 раз и ускорении подготовки производства новых изделий в 1,5-2 раза.

Основные выводы

1. Обоснована возможность и создан способ комбинированной низковольтной обработки сопрягаемых поверхностей с адаптацией режимов локального удаления припуска в течение всего периода получения беззазорных поверхностей с учетом эксплуатационных требований, предъявляемых к ним в различных отраслях техники.

2.Доказана возможность высокоэффективной комбинированной обработки сопрягаемых поверхностей при низких напряжениях тока электрической составляющей процесса при гарантированном обеспечении сплошности и других показателях качества поверхностного слоя, что дает возможность устранить нарушение герметичности запорных устройств в период эксплуатации и обеспечить требуемые пределы усилий для их быстрого срабатывания.

3.Установлены новые режимы комбинированной безабразивной обработки сопрягаемых поверхностей. Для различных материалов рекомендуется использовать напряжение: в случае электрохимической обработки 3-6 В. для электроэрозии 30-40 В, комбинированного электроэрозионного процесса 10-12 В; контактное давление между сопрягаемыми поверхностями 0,01-0.02 МПа с увеличением его значения пропорционально времени выполнения операции притирки до 2 раз; использовать для комбинированной обработки в качестве рабочей среды жидкости с низкой проводимостью (в частности, промышленную воду), регулировать скорости относительного перемещения сопрягаемых поверхностей от 0,01 до 0,2 м/с (в зависимости от состояния обрабатываемых участков деталей).

4.Предложено исключить использование специальных трудоемких в изготовлении электродов-инструментов и заменить их самими сопрягаемыми деталями, что в ряде случаев дает возможность выполнять притирку непосредственно на запорном устройстве. Это позволяет выполнять работы по восстановлению работоспособности изделия на месте его эксплуатации без переборки объекта и дает значительную прибыль за счет снижения перерывов на плановые ремонты.

5.Раскрыт механизм удаления микро- и макронеровностей при низких напряжениях тока, которые считались не перспективными. Показано, что адаптивное управление контактным давлением по сигналам от налагаемого внешнего электрического поля позволяет достичь требуемой интенсивности съема припуска при

гарантированном обеспечении сплошности, необходимой высоте неровностей поверхностного слоя сопрягаемых деталей и герметичности запорного устройства.

6.Разработана методология проектирования комбинированного технологического процесса притирки сопрягаемых поверхностей при использовании низковольтного тока и адаптивного управления режимами обработки. Новый технологический процесс открывает возможность эффективной чистовой обработки без изготовления специальных электродов-инструментов, использования абразивных сред, путем депассивации поверхности перемещаемой сопрягаемой деталью с регулируемым контактным давлением и корректировкой технологических режимов в зависимости от состояния зоны обработки в течение цикла выполнения операции.

7.Проведен комплекс испытаний запорных устройств различного назначения, изготовленных по предлагаемому способу сопряжения. Установлено, что эксплуатационные показатели таких устройств имеют лучшие результаты, которые не уступают характеристикам аналогичной техники зарубежных фирм.

8.Результаты работы внедрены на предприятиях, выпускающих запорные устройства различных видов для нефтехимической, авиационно-космической отрасли, станкостроения и приборостроения, в учебный процесс технических учебных заведений. В работе показаны возможности и обоснована целесообразность использования предлагаемых технологических процессов при разработке и изготовлении запорных устройств в других отраслях машиностроения с учетом тенденций создания промышленных изделий нового поколения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Клименченков, A.A. Формирование микро- и нанопрофиля сопрягаемых поверхностей при комбинированной обработке [Текст] / A.A. Клименченков, Е.В. Смоленцев // Наноинженерия. 2013. №7. -С. 8-15(0,5/0,3 п.л.)

2. Технология контактно-электрохимической обработки [Текст] / A.A. Клименченков, В.П. Смоленцев, Е.В. Смоленцев, Ю.В. Шаров // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2013. №6. -С.33-36 (0,5/0,2 п.л.)

3. Технология электрохимического маркирования металлических изделий [Текст] / В.П. Смоленцев, A.A. Козлов, A.A. Клименченков, И.И. Коптев // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2013. №5. - С. 45-48(0,4/0,1 п.л.)

4. Нано- и микрогеометрия поверхностного слоя после обработки с наложением электрического поля [Текст] / В.П. Смоленцев, A.A. Коровин, A.A. Клименченков, Н.В. Пишкова // Наноинженерия. 2014. №2.- С.8-12 (0,5/0,1 п.л.)

5.Козлов, A.A. Маркирование металлических изделий с эластичным покрытием без их разрушения [Текст] / A.A. Козлов, В.П. Смоленцев, A.A. Клименченков // Упрочняющие технологии и покрытия. 2014. №10,- С. 16-20 (0,5/0,2 п.л.)

6.Козлов, A.A. Нанесение информации растровым инструментом на детали с эластичным диэлектрическим покрытием [Текст] / A.A. Козлов, В.П. Смоленцев, A.A. Клименченков //Сборка в машиностроении, приборостроении. 2014. № 3. - С.44-48 (0,5/0,2 п.л.)

Патенты:

7. Патент (РФ) Способ обработки сопрягаемых поверхностей и устройство для его использования (Авт. В.П. Смоленцев, A.A. Клименченков, Б.И. Омигов, С.С. Юхневич). Положительное решение по заявке 2013110207 от 6.03.2013

8. . Патент (РФ) Способ электрохимической размерной обработки металлических деталей в рабочих средах с переменной проводимостью и устройство для его осуществления (Авт. В.П. Смоленцев, Ю.В. Шаров, Н.В. Пишкова, A.A. Клименченков). Положительное решение по заявке № 20121541662 от 04.12.2014 г

9. Патент (РФ). Способ обеспечения заданного расхода компонента на форсунку (Авт. В.В. Черннченко, В.П. Смоленцев, A.A. Клименченков). Положительное решение по заявке № 2013123145 от 25.06.2013 г.

Книги:

10. Смоленцев, Е.В. Безабразивная доводка сопрягаемых поверхностей [Текст] монография / A.A. Клименченков, Е.В. Смоленцев, И.Т. Коптев; под ред. A.B. Киричека// Прогрессивные

машиностроительные технологии, оборудование и инструмент М.: Издательский дом «Спектр», Том 3., 2014. - С. 321-364 с.

Статьи и материалы конференций:

11 .Романенко, С.В. Возможность правки деформированных труб и штанг [Текст] / С.В. Романенко, А.А. Клименченков. Нефтепромысловое оборудование. 2009. №3. - С. 76-78 (0,5/0,3 п.л.)

12.Молчанов, А.Г. Определение долговечности гибких труб колтюбинговых установок для бурения и подземного ремонта скважин [Текст] / А.Г. Молчанов, С.В. Романенко, А.А. Клименченков // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2010. №6. - С. 20-22 (0,3/0,1 п.л.)

1 З.Молчанов, А.Г. Прогнозирование долговечности колонн гибких труб колтюбинговых установок для бурения и подземного ремонта скважин с учетом внутреннего давления технологической жидкости [Текст] / А.Г. Молчанов, С.В. Романенко, А.А. Клименченков // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2011. № 1. - С. 18-21 (0,4/0,2 п.л.)

14. Перспективы использования низкочастотных колебаний в авиакосмической отрасли [Текст] / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Ю.В. Шаров, А.А. Клименченков // Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки: сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2013. - С.64-68 (1,0/0,2 п.л.)

15. Смоленцев, В.П. Пути повышения точности электроалмазной обработки [Текст] / В.П. Смоленцев, С.И. Дочкин, А.А. Клименченков// Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2013. - С. 35-41 (0,3/0,1 п.л.)

16. Клименченков, А.А. Безабразивная прецизионная обработка сопрягаемых поверхностей запорных устройств [Текст] / А.А. Клименченков//ССП-2013. Воронеж: ЦНТИ, 2013.-С. 183-185 (0,2 п.л.)

17. Influence psychophysiological conditions of the executor on a management efficiency dynamic processes/ V.P. Smolentsev, A.A. Klimenchenkov, J.V. Sharov, I.I. Koptev, G.N. Klimova // «Nauka i Studia » V International Conference "Science and Education" 2728.02.2014. Przemusl, 2014-p.49-52 (0,4/0,1)

Подписано в печать 02.02.2015. Формат 60x84/16 Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 90 экз. Зак. № 4 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026, Воронеж, Московский просп., 14.

2014250738

15-- 1220

2014250738