автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка технологии многоэлектродной обработки каналов в фильтрах тонкой очистки криогенных смесей

На правах рукописи

ШАРОВ Юрий Владимирович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МНОГОЭЛЕКТРОДНОИ ОБРАБОТКИ КАНАЛОВ В ФИЛЬТРАХ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ КРИОГЕННЫХ СМЕСЕЙ

Специальность: 05.02.07 -Технология и оборудование

механической и физико-технической обработки

3 О СЕН 2515

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Воронеж - 2015

005562823

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет"

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Смоленцев Владислав Павлович

Официальные оппоненты: Погонин Анатолий Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова, кафедра «Технология машиностроения», профессор.

Гончаров Евгений Владимирович,

кандидат технических наук,

ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики», ведущий технолог

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится «18» ноября 2015 года в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета ДМ 212.037.04 на базе ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (ВГТУ), ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ), ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» (БГТУ), по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" www.vorstu.ru.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Кириллов Олег Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В текущий период промышленность страны переходит на гибкоструктурное производство, базирующееся на конкурентоспособных технологиях с высоким уровнем адаптации к запросам потребителя. Такой подход традиционно используется при изготовлении сложных изделий в авиационной и космической отрасли, где программа выпуска продукции относится к мелкосерийному (а в опытном производстве - к единичному) производству. Здесь требуется обеспечить высокий уровень качества объектов при стоимости продукции не выше сложившихся мировых цен на аналогичные изделия.

Основные детали наукоемких узлов транспортной техники могут быть изготовлены только с применением электрических методов обработки, где доля трудоемкости таких деталей, как лопатки, турбонасосные агрегаты, фильтры двигателей составляет значительную часть общих трудозатрат. Поэтому снижение операционного времени за счет многоинструментальной (многоэлектродной) обработки позволяет не только ускорить запуск в производство новых изделий, но и снизить затраты на выполнение операций с использованием дорогостоящего оборудования для электрических методов обработки. Большинство выполненных научных исследований касались многоэлектродных электроэрозионных технологических процессов, где рекомендовалось иметь глубину отверстий до 8 -10 диаметров, использовать до 10 инструментов при подаче рабочей среды через электроды под давлением до 2-3 МПа. В случае изготовления фильтрующих элементов для тепловых двигателей, где шаг между "каналами менее двух межосевых расстояний, эквивалентный диаметр отверстий может быть 0,2 - 0,3 мм с глубиной до 20 диаметров и стабильностью размеров сечений в пределах ±10%. Число таких отверстий (необязательно круглого сечения) может составлять десятки тысяч, поэтому количество электродов в одном инструменте должно измеряться сотнями и тысячами. При этом практически не осуществимо подавать рабочую среду через тонкие электроды, придавать им индивидуальное вращение, соединять электроды в сборном инструменте.

Для решения актуальной проблемы получения качественных фильтров тепловых двигателей с большим расходом газожидкостных (в ряде случаев криогенных) сред требуется переход на новые технологические режимы и способы многоэлектродной комбинированной обработки с наложением электрического поля, где необходимо найти решение задач по- обеспечению высоких технологических показателей процесса при ресурсосберегающей прошивке одним инструментом тысяч сверхглубоких точных отверстий различного сечения, используя в основном имеющиеся или модернизированные средства технологического оснащения.

Работа выполнялась по тематическим карточкам Роскосмоса в 2008-2014 годах в рамках национального проекта "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" (Постановление Правительства РФ № 568 от 26. 07. 2008) и программы Рособразования "Проведение поисковых научно-исследовательских

работ по направлению "Ракетостроение" (Приказ Рособразования № 294 от 23.03.2009).

Целью работы является создание способов и технологии комбинированной одновременной прошивки сверхглубоких точных отверстий цельным инструментом с монолитными электродами, раскрытие механизма обеспечения стабильности протекания процесса многоэлектродной обработки, разработка методики выбора параметров и расчета технологических режимов, создание типовых технологий с адаптацией их к фильтрам тонкой очистки, в том числе для криогенных и газожидкостных рабочих сред.

Научная проблема, требующая решения: научное обоснование возможности формирования глубоких отверстий малого диаметра технологичными многогранными групповыми инструментами-электродами с организацией течения рабочих сред через узкие параллельные каналы и управлением электрическим полем для равномерного съема припуска многоэлектродным монолитным инструментом

В работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование факторов, ограничивающих получение электрическими методами требуемых технологических показателей при многоэлектродной прошивке глубоких и сверхглубоких точных отверстий в фильтрах тонкой очистки различных сред.

2. Теоретическое и прикладное обоснование возможности группового получения отверстий различной геометрии монолитным технологичным инструментом.

3. Моделирование процесса удаления продуктов обработки глубоких отверстий и разработка механизма подачи рабочих сред через щелевое межэлектродное пространство.

4. Создание нового монолитного многоэлектродного технологического инструмента, адаптированного к серийному электроэрозионному и электрохимическому оборудованию.

5. Разработка режимов и технологии одновременного изготовления отверстий в фильтрах монолитным инструментом, обеспечивающих интенсификацию процесса прошивки и достижение высоких технических и экономических показателей процесса.

Методы и достоверность исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием собственных патентов, базовых положений по течению через узкие каналы газожидкостных сред, теории электрофизических, электрохимических и комбинированных методов обработки. Прикладные исследования выполнялись на созданных экспериментальных установках и на промышленном оборудовании с использованием современной аттестованной измерительной и вычислительной техники. Достоверность результатов работы подтверждена экспериментальными исследованиями и хорошей сходимостью расчетных параметров с данными промышленных испытаний форсунок на двигателях космических аппаратов.

Научная новизна включает:

1. Механизм взаимного воздействия на протекание комбинированного процесса электрического поля и жидкой рабочей среды при большом углублении зоны обработки, переменных гидразлических сопротивлениях узких щелей между электродами с изменяемой длиной тракта по мере износа рабочей части электродов, учитывающий выравнивание параметров напора на входе и потери на выходе среды из щелей с переменной трассой.

2. Теоретическое обоснование параметров течения газожидкостных сред при различном соотношении фаз и их агрегатного состояния с учетом адаптивного управления противодавлением на выходе рабочих сред из зоны обработки.

3. Модель формирования групп отверстий требуемой геометрии электродами с сечениями, технологичными для их изготовления в монолитном инструменте. Модель отличается управляемым изменением плотности электрического поля в местах сопряжения участков сечения электродов на величину, обеспечивающую устранение концентраторов напряжений в фильтре за счет ликвидации острых кромок в отверстиях.

Практическая значимость работы

1. Создание технологического процесса одновременной глубокой и сверхглубокой комбинированной обработкой отверстий без концентраторов напряжений с управляемым изменением геометрии сечений для интенсивного получения кондиционных фильтров со стабильными расходными характеристиками газожидкостных (в частности, криогенных) сред.

2. Разработка новых, на уровне изобретений, способов и технологичных электродов-инструментов для получения многоэлектродной обработкой групп отверстий с возможностью быстрой замены рабочей части по предложенным в работе способам.

3. Технологические режимы для многоэлектродного изготовления отверстий малого сечения и большой глубины, позволившие максимально увеличить применение серийных средств технологического оснащения и сократить потребность в новом дорогостоящем оборудовании в основном зарубежных поставок.

Личный вклад соискателя:

1. Раскрытие механизма интенсивной прошивки индивидуальным электродом, работающим в цельном инструменте, при большом количестве одновременно обрабатываемых глубоких отверстий.

2. Научное обоснование и реализация возможности формирования в детали близко размещенных отверстий с малым сечением без острых кромок электродами в форме многоугольников, что открыло возможность создания новых технологичных конструкций инструментов, ускорить и удешевить их изготовление, а также расширить область эффективного использования процессов с наложением электрического поля при многоэлектродной обработке точных миниатюрных изделий с повторяющейся формой отверстий.

3. Раскрытие механизма интенсификации процесса многоэлектродной обработки путем управления режимами массовыноса продуктов обработки через лабиринтные каналы с линейным течением жидкости.

4. Разработка новых технологичных конструкций инструментов с требуемой траекторией перемещения рабочей среды через лабиринтные каналы и гравитационным управлением величиной противодавления, обеспечивающим сплошность потока жидкости в зоне обработки и поддержание интенсивности съема материала всеми электродами.

5. Раскрытие особенностей течения жидких сред с переменным газонаполнением через лабиринтные каналы с длиной, изменяющейся в процессе прошивки за счет углубления электродов и их износа.

6. Проектирование технологического процесса с режимами, учитывающими особенности многоэлектродной обработки, и создание средств технологического оснащения для интенсификации прошивки глубоких и сверхглубоких точных отверстий малого сечения, применяемых в фильтрах тонкой очистки рабочих сред тепловых двигателей, в химическом и другом машиностроении.

7. Участие в проектировании, изготовлении, отладке средств технологического оснащения и их внедрения на промышленных предприятиях.

Апробация работы. Результаты работы и ее составные части представлялись и обсуждались на следующих конференциях: III Международная научно-техническая конференция ССП-2010 (Воронеж, 2010); VIII Международная конференция молодых специалистов организаций ракетно-космической, авиационной и металлургической промышленности России (Королев, 2010); XII всероссийская научно-техническая конференция и школа молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии» (АКТ-2011) (Воронеж, 2011); II молодежная научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника: исследования, разработки, пути решения актуальных проблем», посвященной 65-й годовщине победы в Великой Отечественной войне (Москва, 2010 г.); XIX Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию первого полета человека в космос (Королев, 2011); XVII Макеевские чтения -Российская научно-техническая конференция, посвященные 87-летию со дня рождения академика Виктора Петровича Макеева (Воронеж, 2011); VII международная научно-практическая конференция «Перспективные' разработки ■науки и техники» (Польша, г. Przemysl, 2011 г.); V международная научно-практическая конференция «Студент. Специалист. Профессионал» (ССП - 2012) (Воронеж, 2012); XV международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы техники и технологии» - «Технология-2012», посвященной 120-летию со дня рождения H.H. Поликарпова (Орел, 2012); IV международная научно-техническая конференция «ТМ-2012» (Рыбинск, 2012 ), V International Conference «Science and Education» 27 - 28.02.2014.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы прошли проверку в цехах ВМЗ - филиала ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и внедрены в серийное производство форсунок для ракетных двигателей а также на Hüll «Гидротехника», ФПК «ВСЗ - Холдинг» с реальным экономическим эффектом.

6

Материалы проведенных исследований используются в учебном процессе ЛГТУ, ВГТУ, Юго-Западного государственного университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных работ общим объемом 7,8 п. л., где соискателю принадлежат 3,2 печатного листа. В их число входит 6 публикаций в изданиях по списку ВАК РФ, 15 авторских свидетельств и патентов на способы, устройства и полезные модели.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - обоснование методов очистки жидкостей; [2] - совместимость электрических методов обработки с применяемыми процессами изготовления точных поверхностей; [3] - описание процесса контактно-электрохимической обработки; [4] - формализация модели массо-выноса; [5] - проектирование технологии изготовления фильтров цельными многоэлектродными инструментами; [6] - проектирование процесса течения жидкости в узких межэлектродных щелях; [7] - интенсификация процесса обработки применением низкочастотных вибраций инструмента; [10] - требования к очистке рабочих сред.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений, списка литературы из 130 наименований. Работа изложена на 188 страницах с 63 рисунками и 9 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, вынесенные на защиту, показаны научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе приведен анализ известных методов механической обработки отверстий малого диаметра, которые, хотя и позволяют получать на ряде материалов размеры, применяемые в фильтрах, но ограничивают получение глубоких (даже круглых) каналов, инструмент имеет низкую стойкость, а процесс чрезвычайно трудоемок и дорогостоящ.

Наиболее часто используемые в авиакосмическом двигателестроении лучевые методы групповой обработки отверстий не позволяют изготавливать некруглые каналы, имеют значительные расширения на входе луча, что снижает плотность расположения отверстий и фильтрующую способность изделия. Кроме того, при толщине листа фильтра более 0,2 - 0,3 мм (что свойственно металлическим фильтрам) образуется грат, удаление которого весьма трудоемко и может вызывать брак в деталях.

Групповая обработка отверстий эффективна при использовании фотохимического метода обработки. Однако такая операция выполнима, если толщина листа фильтра не превышает 0,5 мм.

Попытки использовать электроэрозионную прошивку единичным электродом оказались неосуществимыми из-за сложности (а порой и невозможности) изготовления электродов с круглым сечением. Учитывая износ инструмента,

потребовалось большое количество электродов, что сделало метод экономически нерентабельным.

Известные методы изготовления электродов для групповой электроэрозионной прошивки непрофилированным инструментом позволяли получать прямоугольные сечения, которые изменяли форму по мере их углубления и не давали требуемой точности, так как она зависит от комплекса факторов (режимных, обеспечения массообмена, сочетания материалов заготовки и инструмента и др.) Тем не менее изготовление электродов для групповой электроэрозионной обработки непрофилированным проволочным инструментом может послужить базой для эффективного создания каналов в фильтрах после выполнения исследований по механизму групповой прошивки каналов малого сечения при их большой глубине, что ранее не проводилось.

Групповая обработка требует особых средств оснащения. Применительно к электроэрозионной прошивке здесь открывается возможность использовать имеющееся оборудование и приспособления, что значительно снижает затраты и сроки технологической подготовки в условиях гибкоструктурного производства и при освоении новых изделий.

Перспективной является комбинированная электроэрозионно-химическая прошивка глубоких каналов любого сечения, что эффективно для больших толщин 'заготовок фильтров и позволяет снизить износ инструмента.

Из состояния вопроса формируются задачи исследований, приведенные во введении работы.

Во второй главе изложена методика решения поставленных в работе задач.

Научные положения диссертации базируются на следующих гипотезах:

1. Для отверстий малого сечения можно получить круглый профиль отверстия из квадратного электрода-инструмента, используя закономерности электроэрозионной и комбинированной обработки по механизму износа электрода - инструмента.

2. За счет концентраций на острых кромках электрического поля при электроэрозионной, электрохимической и комбинированной обработке возможно обеспечение повышенного съема припуска в местах сочленения участков

' квадратного электрода - инструмента и получение для него круглого сечения, требуемого для отверстий в фильтрах.

3. Управляя электрическим полем, возможно регулировать диаметр отверстий в фильтрах. При этом за счет скорости подачи электрода - инструмента можно обеспечить изменение сечения отверстия и получить модульную систему изготовления инструмента, где единый электрод некруглого сечения пригоден для изготовления отверстий различного диаметра.

4. Для групповой обработки требуемый массовынос возможно получить путем создания постоянного противодавления рабочей среды через дросселирование потока на выходе из зоны обработки.

5. Изготовление многоэлектродного инструмента любой площади сечения возможно с использованием электроэрозионного метода обработки непрофилированным электродом-проволокой путем выполнения осевых взаимо-

8

перпендикулярных пазов на большую глубину. При этом ширина паза может обеспечить требуемую для фильтра минимальную перемычку между отверстиями. Кроме того, бесконтактная электроэрозионная обработка, где отсутствуют усилия от воздействия инструмента, сохраняет геометрию индивидуальных электродов и позволяет получать монолитную жесткую конструкцию инструмента с большим вылетом рабочей части электрода.

6. При изготовлении многоэлектродных инструментов возможно использование единых установочных баз инструментов и электрододержателей станков, что ускоряет смену и поднастройку инструмента при серийном изготовлении фильтров.

7. За счет калибровки всех отверстий после их электроэрозионной, электрохимической и комбинированной прошивки возможно снижение уклона боковых поверхностей отверстий, что сохраняет минимальную величину перемычек на входе инструмента, позволяет снизить шаг между отверстиями и повысить фильтрующую способность изделия.

8. Массовынос продуктов обработки потоком жидкой рабочей среды позволяет исключить осаждение продуктов обработки на стенках детали, что исключает необходимость в доработке фильтра, например, после электронно-лучевой прошивки отверстий. Это способствует повышению качества фильтров и гарантирует отсутствие в фильтруемой среде твердых частиц, способных вызывать нарушение течения среды при эксплуатации.

В главе 2 выбраны и обоснованы научные позиции на базе ранее полученных результатов, защищенных охранными документами. Приведены требования и условия создания технической базы для выполнения работы при наибольшем допустимом использованиии имеющегося оборудования и технических средств для изготовления образцов, инструментов.

Показаны возможности повышения достоверности результатов экспериментов, для чего они максимально приближены к условиям работы фильтров на изделиях с криогенными средами, что позволило ускорить освоение новой технологии групповой обработки отверстий в фильтрах.

Разработан алгоритм выполнения работы, обеспечивающий минимальные затраты трудовых и финансовых ресурсов для достижения проставленной цели. Использование предложенного алгоритма ускоряет проведение экспериментов,внедрение результатов в производство.

В третьей главе приведен механизм управления процессом электроэрозионной и комбинированной многоэлектродной прошивки. Как следует из научных гипотез при обработке глубоких отверстий и съеме металла с больших площадей требуется учитывать условие массовыноса

(1)

с?т а г

где ^^ - скорость образования массы т\ продуктов обработки за время т;

^г. _ возможности потока рабочей среды по выносу массы т2

¿Т

продуктов обработки в реальном масштабе времени.

При многоэлектродной обработке в (1) накладывается еще одно ограничение (2)

ал! 2 г1т± ^ [¿тл] ^ ^

•Лг ал ~~ Дт

Критерий (2) показывает, что расхождение между съемом металла различными электродами постоянного сечения должно быть в пределах допуска массы [дт], оцениваемого через допуск размера по чертежу.

Величина — обеспечивается соблюдением расчетных параметров потоков

йт

рабочей среды, выносящей продукты обработки из зазора.

Это дает возможность создать одинаковые условия удаления припуска для каждого электрода в инструменте, если его конструкция обеспечивает везде одинаковую плотность тока, и создать математическую модель формообразования переходных участков каналов при многоэлектродной обработке

Граничными условиями модели будут:

- для электроэрозионной и комбинированной обработки - предельный износ инструмента на угловой части сечения электрода;

- для электрохимической обработки - предельное увеличение плотности тока в местах вблизи углов и рассеивание тока на грани электрода.

Рис. 1. Формирование отверстия прямоугольным электродом: а) - начальная стадия прошивки; б) - калибровка отверстия

Механизм формирования скругления при электроэрозионной обработке включает два воздействия (рис. 1):

- рассеивание поля в зоне вершины угла и образование скругления в отверстии заготовки (рис. 1,а). За счет межэлектродного зазора между заготовкой (1) и электродом (2) плотность количества разрядов в зоне угла (точка "е") на участке "вс" будет меньше, чем на участке "ав". При этом фрагмент "ав" является

прямолинейным, а "вс" скругляется радиусом ^ (рис. 1, а). При малом диаметре отверстия в заготовке величина "ав" будет соизмерима с "вс".

За счет износа инструмента (рис. 1, б) электрод уменьшается в сечении и появляются скругления углов радиусом г\, что способствует выравниванию электрического поля в зазоре и снижает величину участка "ав" (рис. 1, а), образуется круглое отверстие с радиусом Яг- Поскольку межэлектродный зазор остается практически неизменным, то радиус Я2 становится меньше, чем Ль что следует учитывать при изготовлении электрода в качестве постоянной величины. Критерием оценки служит соотношение

Д2±ДЯ2=[Д2]. (3)

В основу расчета должен быть положен номинальный чертежный размер отверстия в заготовке (К2) с допуском на погрешность обработки (АЯ2 ). В результате размер отверстия должен уложиться в допустимые изменения радиуса [Я2] по чертежу.

Чем меньше диаметр отверстия Я2 тем быстрее можно получить скругление его профиля, где прямолинейные участки ("ав" на рис. 1, а) становятся пренебрежимо малы. На этот показатель оказывают влияние глубина отверстия, эрозионная стойкость материала заготовки и электрода, условие массовыноса продуктов обработки. Все эти величины взаимосвязаны, поэтому для проектирования режимов обработки более обоснованно пользоваться эмпирическими зависимостями типа приведенных в [99], где для ЯС схемы износ электрода (5И на рис. 1, б) можно выразить через "объем снятого материала в отверстии

4 =уК1к ~ , (4)

где у - процент износа материала инструмента. При достаточном массовыносе величина у = 30 - 50 % от объема удаленного материала с заготовки при силе тока короткого замыкания (1КЗ) и напряжения на электродах (и). Коэффициент "К" является эмпирическим и устанавливается экспериментально. В пределах глубины отверстий до 10 - 12 диаметров (это относится к большинству фильтров) коэффициент "К" можно принять постоянным. Если ограничить толщину листа заготовки Ь = 3 мм, то величина "К" для легированных сталей составляет (5,5 -5,8)10"4 мм2/сек-В-А, для инструментальных сталей (6,5 - 6,7)104.

В (4) время, необходимое для группового прошивания отверстий, составляет

<5>

где V - средняя скорость осевой подачи инструмента. Эта величина резко снижается по мере углубления инструмента (до двух раз после (4 - 5) —). Значения

средней скорости (У^.) приводятся в справочниках. Для многоэлектродной обработки

У=К„Уср, (6)

где К„- коэффициент {К,< = 0,4 -0,5).

Для обеспечения массовыноса при прошивке глубоких отверстий необходимо применять перепад давлений не ниже 1,2 МПа (рис. 2).

Скорость мм/мин

Диаметр отверстия 0,3 мм

0,5

од

0,4

0,2

0,3

ч.

0 +-о

0,5

1

1,5

2

2,5

1,5 3 3,5

Глубина отверстиялм

3.5

Рис. 2. Изменение средней скорости (V) подачи инструмента по мере его углубления: 1 - подача рабочей среды (жидкости) поливом; 2 - подача рабочей среды под давлением на входе в зону обработки 2 МПа.

Из рис. 2 видно, что массовынос из зоны обработки при прошивке отверстий малого диаметра определяет величину подачи (6). Без принудительного давления многоэлектродная прошивка возможна при глубине отверстий до 0,2 - 03 мм (рис, 2, кривая 1), далее процесс становится неустойчивым и малопроизводительным. Давление свыше 1,2 МПа (рис. 2, кривая 2) позволяет сохранить приемлемый массовынос, а следовательно, и скорость подачи инструмента до глубины 10 и более диаметров отверстия. Массовынос при любой глубине прошивки становится определяющим, если операция выполняется комбинированным или электрохимическим методом.

В последнем случае облегчается расчет электрода-инструмента, который в процессе прошивки не изнашивается, но значительно усложняется регулирование поддержания межэлектродного зазора.

При электрохимической прошивке отверстия малого сечения приобретают округлую форму за счет изменения плотности тока на угловых участках

(рис. 3).

Рис. 3. Формирование скрутлений углов при электрохимической и комбинированной обработке: а) начало прошивки отверстия; б) в конце процесса прошивки S6 - боковой межэлектродный зазор; S'6 - боковой зазор в конце прошивки; h - сторона квадрата инструмента; 1 - катод - инструмент; 2 - анод-заготовка; 3 - силовые линии тока; 4 - эпюра плотности тока на угловом участке инструмента; 5 - течение электролита через межэлектродный зазор.

Как показано на рис. 3,а плотность силовых линий (3) на угловых участках инструмента (1) значительно ниже, чем на плоских элементах. Это определяет плотность анодного тока, эпюра (4) которого показана на рис. 3. Радиус получаемого сечения (ri) определяется величиной и положением бокового зазора (Sg, S' б), который позволяет проследить динамику скругления._по времени обработки.

= (7) di St-Vi sin45"+5 й eos45= '

где время прошивки (т) определяется по зависимости

т =

В (7) и (8) а - электрохимический эквивалент обрабатываемого материала (металла); £ - выход по току; % - удельная проводимость электролита; и -напряжение на электродах; Дм - потери напряжения; а - плотность обрабатываемого материала; ST- торцевой зазор при прошивке отверстия. Уравнения (7) и (8) решаются численными методами при граничных условиях

S,<S5 (9)

о<т< - (10)

V

Радиус скругления г (в первом приближении равный радиусу отверстия ri на рисунке 1) можно вычислить через S'¿

rL = f S'a (П)

— (8)

о

о

Рис. 4. Радиус скругления отверстий в конце прошивки:

1 - расчетная зависимость; 2 - экспериментальная кривая

Правомерность зависимостей (7), (11) подтверждается экспериментальными данными (рис. 4).

На рис.4 получены зависимости (1,2), которые с учетом допуска позволяют установить предельный диаметр (2г;) Предельный диаметр для фильтров (толщина листа, как правило, не превышает 2,5 мм) составляет около 1 мм, а для тонкого листа около 0,3 мм.

В четвертой главе приведены режимы и технология изготовления фильтров тонкой очистки горючих смесей.

Раскрыты особенности проектирования технологических режимов и процессов многоэлектродной прошивки. Учтены особенности расчета технологических режимов, отработки технологии на этапе перехода к серийному производству фильтрующих элементов двигателей авиационно-космических изделий. Доказано, что нетрадиционные технологии изготовления каналов в фильтрах для очистки горючих смесей позволяют создавать перспективные конструкции двигателей летательных аппаратов, открывают возможность повышения технических характеристик деталей и создают базу для совершенствования объектов в период проектирования новых изделий. В частности, появляется возможность снизить массу фильтров и сократить трудоемкость их окончательной доводки после многоэлектродной прошивки каналов.

Впервые обоснована возможность использования технологии прошивки круглых отверстий в фильтрах многоэлектродного монолитного инструмента с электродами квадратного сечения, что значительно упростило и удешевило подготовку производства путем применения серийных электроэрозионных станков с непрофилированным проволочным электродом.

Рассмотрены предложенные в работе новые (на уровне изобретений) способы и устройства, позволяющие спроектировать эффективный технологический процесс многоэлектродной прошивки глубоких отверстий малого сечения в фильтрах для

подачи топлива авиакосмических двигателей. Предложенные решения могут быть использованы в других отраслях машиностроения. Рассмотрены перспективные направления использования теоретических и прикладных разделов работы, что будет способствовать ускорению научно-технического прогресса и созданию конкурентоспособной техники новых поколений в различных областях машиностроения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Впервые решена проблема многоэлектродного интенсивного изготовления сверхглубоких отверстий малого сечения для фильтрации газожидкостных (в том числе криогенных) смесей технологичным монолитным инструментом, имеющим многоугольные электроды, с устранением в детали концентраторов напряжений в местах сопряжений элементов сечения электродов путем направленного управления плотностью электрического поля, выравнивания условий течения рабочих сред в лабиринтных каналах инструмента за счет высоких (до 50 МПа) давлений на входе, сопряженных по частоте (около 100 Гц) с периодом эффективной очистки зоны протекания процесса от продуктов обработки.

Основные выводы

1. Установлено, что основными факторами, ограничивающими возможность использования многоэлектродных инструментов при электроэрозионной обработке сверхглубоких отверстий, является недостаточная скорость эвакуации продуктов обработки ввиду слабо управляемого потока используемой рабочей среды. Для отверстий с сечением менее 0,1 мм2, применяемых в фильтрах тонкой очистки газожидкостных сред, технически сложно изготавливать многоэлектродные инструменты традиционными методами. В работе было найдено новое решение для проектирования нового вида инструментов с ускорением эвакуации продуктов обработки через лабиринтные щели между электродами с использованием высокого (до 50 МПа) напора рабочей среды на входе и созданием регулирующего противодавления на выходе.

2. Разработан механизм, создана модель массовыноса с учетом противодействующих факторов и предложены приемы для их устранения. В модели раскрыто влияние изменения плотности полей при различных сочетаниях электрических и гидравлических блоков модели обработки, что позволило установить пути управления процессом и разработать технологические режимы интенсивного группового формирования качественных отверстий в фильтрующих элементах.

3. Созданы новые (на уровне изобретений) инструменты, включающие более 1000 электродов, обеспечивающих одновременную стабильную прошивку блока отверстий при единых технологических режимах. Созданные инструменты для групповой обработки сверхглубоких и глубоких каналов малого сечения позволили получать в детали отверстия без углов в местах сопряжения многогранников путем управления плотностью электрического поля на их боковых поверхностях.

4. Предложена технология изготовления съемной части многоэлектродного инструмента, отличающаяся использованием непрофилированного проволочного электрода расчетного диаметра, работающего на разработанных технологических режимах, обеспечивающих в инструменте размеры щелей между электродами, отвечающие размерам перемычек в фильтрах. Монолитные инструменты создают повышенную жесткость электродов, позволяющую при их длине до 50 мм применять вибрацию с частотой около 100 Гц, изменяемую по глубине обработки в зависимости от степени износа электродов.

5. Разработана конструкция быстросъемного блока, имеющего свыше 1000 электродов, для замены изношенного инструмента без его перестановки и настройки на оборудовании за счет совмещения установочных баз на станке, корпусе и блоке инструмента с точным сопряжением каналов подачи рабочих сред в зону обработки.

6. Создана система гравитационной регулировки противодавления на выходе рабочей среды из зоны обработки путем использования калиброванной подвижной втулки, перемещаемой с упором в наружную поверхность заготовки (фильтра) и обеспечивающей отжатие торцевой поверхности на величину зазора, гарантирующего получение расчетного противодавления на выходе рабочей среды.

7. Проведена проверка многоэлектродной комбинированной обработки 17000 отверстий в фильтрах с толщиной стенки до 2,5 мм из нержавеющей стали с размерами сечений 0,07 мм2 и шагом между отверстиями 0,11 мм инструментами с 420 электродами. Достигнута средняя скорость групповой прошивки 0,012 мм/мин, что на 1-2 порядка выше по сравнению с ранее применяемыми способами. Погрешности по профилю и шагу не превышали ±0,02 мм, что ранее было труднодостижимо. Проливка фильтров показала практически одинаковый расход газожидкостных сред (в том числе криогенных) по всей их поверхности (0 мм, длина м).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

1. Современные комплексы оборудования для получения обессоленной и деонизированной воды [Текст] / М.А. Тияров, Ю.В. Шаров, H.A. Константинова, Г.В. Соболев. // Химическое и нефтяное машиностроение. - 2004. - № 7. - С. 3-5.

2. Смоленцев, В.П. Конкурентоспособные технологии электрических методов обработки [Текст] / В.П. Смоленцев, Ю.В. Шаров. // Наукоемкие технологии в машиностроении - 2013. - № 4. - С. 43-45.

3. Технология контактно-электрохимической обработки [Текст] / В.П. Смоленцев, A.A. Клименченков, Е.В. Смоленцев, Ю.В. Шаров // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2013.- №6. -С. 33-36.

4. Моделирование процесса массовыноса при многоэлектродной обработке [Текст] / Ю.В. Шаров, В.П. Смоленцев, И.И. Коптев, И.Г. Дроздов. // «Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013 - т. 9. - № 5.1.-С. 21-24.

5. Шаров, Ю.В. Режимы и технологии обработки фильтров тонкой очистки горючих смесей [Текст] / Ю.В. Шаров, В.П. Смоленцев, И.Г. Дроздов // «Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - т.9. - № 5.1. - С. 9-12.

6. Определение гидродинамических режимов нестационарной электрохимической обработки [Текст] / В. П. Смоленцев, Ю. В. Шаров, И. И. Коптев, В.Г. Грицюк // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2014. - № 4. - С.15-19.

Статьи и материалы конференций

7. Смоленцев, В.П. Перспективы использования низкочастотных колебаний в авиакосмической отрасли [Текст] / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Ю.В. Шаров, A.A. Клименченков // Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки: сб. науч. тр. - международной науч.-техн. конф. - Ростов Н./Д.: Мин.обр. РФ, 2013 - С. 64-80.

8. Шаров, Ю.В. Особенности технологии изготовления фильтров тонкой очистки криогенных сред [Текст] / Ю.В. Шаров // ССП-13. Материалы шестой международной науч.- практ. конф. - Воронеж: ЦНТИ, 2013. - С. 187-190.

9. Шаров, Ю.В. Основные тенденции развития ЖРД [Текст] /Ю.В. Шаров.// Очерки производства жидкостных ракетных двигателей: научный юбилейный сборник «ВМЗ»-филиала ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» - Воронеж : ВМЗ 2013.- С.19-31.

10. Гордон, A.M. Проблемы создания мощных перспективных ЖРД [Текст] / А.М. Гордон, Ю.В. Шаров. // Конструктивные особенности и технология изготовления деталей ракетных двигателей нового поколения: сб. науч. тр. отраслевой конф. - Воронеж: ВМЗ, 2014. - С.40-47.

11. Шаров, Ю.В. Технология обработки фильтров тонкой очистки криогенных жидкостей [Текст] / Ю.В. Шаров // Конструктивные особенности и технология

изготовления деталей ракетных двигателей нового поколения: Сб. науч. тр. отраслевой конф. - Воронеж: ВМЗ, 2014. - С.108-117.

Авторские свидетельства и патенты

12. A.c. 206417 СССР, Спецтема / Ю.В. Шаров, В.М. Устименко, Н.И. Гончарик //' 1983. Не публикуется.

13. A.c. 207839 СССР, Спецтема / Ю.В. Шаров, Н.И. Гончарик // 1983.Не публикуется.

14. Пат. 2090772, Российская Федерация, МПК F02K9/00. Регулятор расхода [Текст] / Ю.В. Шаров Ю.В., Н.И. Гончарик Н.И. ; заявитель и патентообладатель Конструкторское бюро химавтоматики - № 3078605/06; заявл. 08.12.1983; опубл.20.09.1997, Бюл. № 26. - 3 с

15. Пат. № 2089933, Российская Федерация, МПК G05D7/00, F02K9/58. Регулятор расхода [Текст] / Шаров Ю.В., Устименко В.М., Гончарик Н.И.; заявитель и патентообладатель Конструкторское бюро химавтоматики - № 3103282/06; заявл. 21.12.1984; опубл. 10.09.1997, Бюл. №5.-3 с.

16. Пат. № 2553749, Российская Федерация, МПК В23Н1/10, В23Н5/02, В23Н5/14. Способ термоэрозионной обработки [Текст] / Смоленцев В.П., Шаров Ю.В., Коптев И.И., Клименченков A.A.; Пишкова Н.В.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. -№2013100302, заявл. 09.01.2013, опубл. 20.06.2015, Бюл. №17 - 6с.

17. Пат. 2543158, Российская Федерация, МПК В23Н. Способ электрохимической обработки металлических деталей в рабочей среде с переменной проводимостью и устройство для его осуществления [Текст] / Смоленцев В.П., Шаров Ю.В., Пишкова Н.В., Клименченков A.A.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. - № 2012154162; заявл. 13. 12. 2012; опубл. 27.02.15, Бюл. №6.-3 с.

18. Пат. 2538456, Российская Федерация, МПК В23Н. Устройство для прошивки глубоких отверстий в металлических заготовках и способ с его применением [Текст] / Смоленцев В.П., Шаров Ю.В., Коптев И.И., Смоленцев Е.В.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет.-№2013110209; заявл. 06.03.13; опубл. 10.01.15, Бюл.№1.-3с.

19. Пат. 137221, Российская Федерация, МПК В23Н7/00; Электрод-■ инструмент для многоэлектродной прошивки глубоких отверстий (полезная

модель) [Текст] / Смоленцев В.П., Шаров Ю.В., Коптев И.И.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева".- №2013119116; заявл. 24.04.2013; опубл. 10.02.2014, Бюл. №4. - 3 с.

Подписано в печать_._.20_г.

Формат 60x84/16 Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Зак. №_

Воронежский механический завод - филиал ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева" 394055, г. Воронеж, ул. Ворошилова, 22