автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии абразивно-экструзионной обработки деталей с каналами переменной формы сечения

На правах рукописи

Пшенко Елена Борисовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АБРАЗИВНО-ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ С КАНАЛАМИ ПЕРЕМЕННОЙ ФОРМЫ СЕЧЕНИЯ

05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 АПР 2013 005051765

Красноярск 2013

005051765

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирскии государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева» г. Красноярск.

Научный руководитель: Левко Валерий Анатольевич

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Крушенко Генрих Гаврилович

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск

Редькин Виктор Ефимович

кандидат технических наук, профессор кафедры «Нанофазные материалы и нанотехнологии», Институт инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета, г. Красноярск

Ведущая организация: ОАО «Красноярский машиностроительный

завод», г. Красноярск.

Защита состоится «££}> ал/?,?** 2013 г. в часов на

заседании диссертационного совета ДС 212.023.01 при Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М.Ф. Решетнева по адресу: 660014, г. Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева.

Автореферат разослан «ЛЗ » уегГ^аил 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

А.Е. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В производстве сложных деталей для уменьшения величины или удаления дефектного поверхностного слоя (ПС) внутренних поверхностей применяют специальные методы финишной обработки (ФО). К таким методам относится абразивно-экструзионная обработка (АЭО), заключающаяся в перепрессовании вязкоупругой, наполненной абразивными зернами (АЗ) рабочей среды (РС) под давлением 5... 12 МПа вдоль обрабатываемой поверхности канала.

Практика применения АЭО показала, что по ряду причин в России этот метод, являющийся разновидностью струйной абразивной обработки, не получил широкого применения. В настоящее время он применятся преимущественно для ФО каналов с постоянной формой поперечного сечения.

При изменении формы поперечного сечения обрабатываемого канала при АЭО изменяются условия течения РС, а, следовательно, и режимы обработки. Это приводит к неравномерности обработки ПС по шероховатости и величине съема металла по длине обрабатываемого канала. Для устранения влияния изменения формы поперечного сечения применяют способ АЭО с выравнивающими приспособлениями, преобразующими форму поперченного сечения обрабатываемого канала от сложно-переменной к простой и постоянной по всей длине форме.

Для описания движения потока среды в обрабатываемом канале простой формы сечения (плоская щель, окружность, кольцевой зазор) применяют точные решения уравнений гидродинамики. Однако в этих моделях не учтено влияние возникающих в среде нормальных напряжений и изменения температуры, которые, как показывает практика, оказывают существенное влияние на процесс обработки.

В настоящее время технологический процесс (ТП) АЭО деталей с переменной формой сечения разрабатывается и управляется при помощи эмпирических зависимостей, что при внедрении технологии АЭО в производство новых деталей требует существенных расходов, связанных с большим объемом дополнительных исследований по выбору параметров ТП. Как следствие, для окончательной обработки деталей с переменной формой сечения до сих пор применяют менее эффективные методы финишной обработки, в том числе и ручную доводку.

Таким образом, существует проблема обеспечения равномерности шероховатости поверхности при обработке каналов с переменной формой поперечного сечения. Для ее решения необходимо разработать методику расчета параметров технологии АЭО с использованием выравнивающего устройства, что позволит сократить расходы на подготовку производства новых деталей и расширит технологические возможности данного способа ФО.

В этой связи тема диссертационной работы является актуальной. Диссертационная работа выполнена на основании исследований, проведенных в рамках федеральной целевой программы «Научные, научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».

Целью работы является совершенствование технологии абразивно-экструзионной обработки деталей с переменной формой сечения.

Основные задачи исследования:

1 Выполнить конструктивно-технологический анализ деталей с переменной формой сечения, дать оценку современного уровня и технологических возможностей процесса АЭО с использованием выравнивающих устройств, выявить основные проблемы и направления развития этого способа.

2 Для обеспечения равномерности обработки экспериментально уточнить характер течения рабочей среды в каналах с переменной формой сечения и в кольцевой щели, разработать рекомендации по управлению технологическим процессом АЭО таких деталей.

3 Провести исследования влияния нагрева рабочей среды на условия обработки с использованием выравнивающего устройства.

4 Разработать методику расчета параметров технологического процесса абразивно-экструзионной обработки каналов с переменной формой сечения.

5 Выполнить сравнительный анализ полученных результатов по предложенной методике с данными полученными экспериментальным путем и результатами обработки на натурных деталях.

Методы исследования. Общий подход к решению проблемы основан на математическом моделировании процесса АЭО. Для решения поставленных задач использовались научные основы процесса АЭО, основанные на теоретических и экспериментальных методах исследования, теории течения жидкостей, реологии полимеров и теплофизического анализа. При проведении исследований использовалась теория научного эксперимента, теория планирования многофакторных экспериментов, средства измерительной и вычислительной техники. На основе теоретических разработок выполнены эксперименты на опытных образцах и натурных деталях с переменной формой поперечного сечения.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории отделочных методов обработки Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева, а также в производственных условиях ЗАО «Спецтехномаш».

Достоверность полученных результатов и правомерность принятых допущений подтверждены экспериментальными данными, обработка которых осуществлялась в соответствии с ГОСТ 8.207-76 «Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения». Адекватность полученных моделей проверялась при помощи статистических методов оценки с использованием критерия Фишера.

Научная новизна. Впервые создан способ абразивно-экструзионной обработки каналов, выполненных в форме цилиндра, переходящего в конус, который обеспечивает равномерную обработку всех поверхностей канала с шероховатостью Яа = 0,20...0,25 мкм.

Предложена методика расчета параметров технологического процесса (давления, расхода РС, количества активных АЗ) абразивно-экструзионной обработки каналов с применением выравнивающих устройств, позволяющих изменять условия сдвигового течения рабочей среды в кольцевой щели.

Получена эмпирическая модель степени влияния нагрева рабочей среды на основные технологические параметры (шероховатость и величину съема металла) при обработке деталей с применением выравнивающего устройства.

Практическая значимость работы заключается в решении важной проблемы по расширению технологических возможностей АЭО и снижения сроков подготовки производства новых деталей с переменной формой сечения за счет использования методики расчета параметров технологических процессов обработки с выравнивающими устройствами.

Внедрение метода обеспечило сокращение объема и сроков экспериментальных исследований при разработке ТП АЭО новых деталей в опытном производстве на ЗАО «Спецтехномаш» в 6,5 раз. Основные результаты работы используются в учебном процессе на кафедре Технологии машиностроения Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса абразивно-экструзионной обработки деталей с каналами переменной формой сечения;

- модель течения рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке кольцевых каналов;

- модель тепловых процессов при абразивно-экструзионной обработке с применением выравнивающих устройств;

- методика расчета технологических параметров абразивно-экструзионной обработки с применением выравнивающих устройств;

- практические рекомендации по применению выравнивающих устройств для абразивно-экструзионной обработки деталей с переменной формой поперечного сечения.

Личный вклад соискателя. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в данной работе, получены автором самостоятельно. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследований, выбор методик проведения и выполнение экспериментов, обработка полученных результатов, разработка аналитических и эмпирических моделей, подача заявки на патент, непосредственное выполнение опытно-промышленных испытаний и внедрение в производство научных разработок, написание статей и докладов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на международных и всероссийских научных конференциях.

Публикации. Результаты работы опубликованы в 17 научных работах, в том числе 8 статьях в журналах из перечня ВАК, 1 патенте на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложений. Работа объемом 159 страниц машинописного текста содержит 52 рисунка, 11 таблиц и список литературы, включающий 172 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы по совершенствованию технологии АЭО для обеспечения равномерности шероховатости поверхности каналов с переменной формой сечения и рассмотрены основные вопросы, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрен современный мировой уровень разработок в области обеспечения требуемой шероховатости поверхности каналов с переменной формой сечения.

В настоящее время существует целый класс деталей, содержащих открытые и закрытые каналы переменной формы сечения, к состоянию поверхностного слоя которых предъявляются повышенные конструкторские требования. Это детали летательных аппаратов (сопла двигателей малой тяги, крыльчатки турбонасосных

агрегатов), высокоточные детали транспорта (форсунки, распылители), детали технологической оснастки (матрицы, сопла термопластавтоматов) и др.

Важнейшим ресурсом повышения эксплуатационных характеристик деталей является уменьшение шероховатости поверхности и обеспечение параллельности ее направления по потоку течения компонентов, а также снятие растягивающих и части сжимающих напряжений.

Практика финишной обработки показала, что наиболее производительной и эффективной для формирования ПС сложнопрофильных каналов является АЭО.

Одним из существенных недостатков АЭО, ограничивающих ее технологическое применение, является неравномерная обработка поверхностей каналов с переменной формой поперечного сечения.

Анализ существующих технологических процессов показывает, что для равномерно расширяющихся (сужающихся) каналов использовалась однонаправленная АЭО, описанная, например, в патентах США № 5070652 и № 5367833. Однако, в случае с каналом, содержащим как конусную, так и цилиндрическую части даже применение однонаправленной обработки не позволяет получить равномерную обработку канала детали из-за перестройки профиля потока РС и перепада давления непосредственно в обрабатываемой детали.

Одним из возможных способов, описанных в патенте США №4936057, является применение выравнивающих устройств позволяющих перейти от течения в канале с переменной формой сечения к течению в щелевом зазоре. В развитие данного способа было предложено выравнивающее устройство, изображенное на рисунке 1. Оно имеет конфигурацию, которая копирует по эквидистанте в определенном масштабе переменную поверхность канала. Таким образом, когда выравнивающее устройство помещено в обрабатываемый канал, образуется зазор постоянного размера между выравнивающим устройством и стенкой канала, через который перемещается абразивная среда.

При обработке канала, имеющего цилиндрическую форму, переходящую в конусную, появляется неравномерность обработки поверхности в зоне кольцевой щели, возникающая из-за изменения площади поперечного сечения при соблюдении условия равенства зазора по длине канала. При АЭО с применением указанного способа в конусном канале возникает незначительная неравномерность обработки, величина которой не позволяет обрабатывать высокоточные детали (с допуском несколько мкм) форсунки, распылители, сопла и др.

1 — деталь с конусным каналом; 2 - рабочая среда; 3 - элемент выравнивающего устройства Рисунок 1 - Имитатор конусного канала с выравнивающим устройством

Выполненный анализ существующих аналитических моделей, описывающих процессы АЭО, показал, что они достаточно точно отражают взаимодействие единичного абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью. Созданные модели течения абразивной среды описывают процесс для установившегося бингамовского течения в канале круглого сечения. Для каналов переменного профиля и для каналов типа «кольцевая щель» модель упрощена до ньютоновского течения с учетом поправок на индекс течения, характерный для каждого конкретного состава РС. Необходимость определения численного значения индекса течения существенно усложняет расчеты для новых составов РС и снижает их точность.

Существующая модель тепловых процессов построена на основе расчета температур в зоне обработки посредством эмпирических зависимостей, полученных для обработки цилиндрических отверстий.

Для каналов типа «кольцевая щель» указанные модели тепловых процессов не учитывают появление дополнительной поверхности (на границе выравнивающее устройство - рабочая среда) являющейся дополнительным источником тепла, что дает существенную погрешность расчетов.

Таким образом, до настоящего времени не решены вопросы обеспечения заданной шероховатости и производительности обработки каналов с переменной формой сечения, что существенно снижает технологические возможности метода АЭО.

АЭО каналов переменной формы сечения является сложным процессом, при его реализации возникает целый ряд физических явлений, влияющих на качество поверхности и производительность обработки. Для внедрения абразивно-экструзионной обработки в производство конкретных деталей необходимо провести достаточно большой объем экспериментальных исследований, связанных с определением влияния вязкоупругих свойств рабочей среды и геометрических характеристик обрабатываемых каналов на параметры обработки.

Вышеизложенные проблемы могут быть решены на основе уточнения существующих и создания новых расчетных моделей позволяющих определять технологические параметры АЭО для достаточно широкой номенклатуры ответственных деталей с переменной формой сечения.

Обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований.

Во втором разделе представлены результаты теоретических исследований АЭО деталей с переменной формой поперечного сечения.

Анализ течения рабочей среды при АЭО позволил установить, что плотность РС остается постоянной в широком интервале напряжений сдвига и температуры потока. Коэффициент динамической вязкости г| среды при АЭО характеризует эффективную вязкость, учитывающую вязкоупругие потери и потери потока на трение с ПС. Коэффициент г| может изменяться в широком диапазоне в зависимости от величины сдвигающего напряжения т, температуры Т и компонентного состава среды. Обзор составов РС позволил установить, что для АЭО коэффициент эффективной вязкости РС в зависимости от ее состава и величины т лежит в диапазоне от 1000 Па с до 500000 Па с.

Для потока среды при АЭО характерны малые числа Рейнольдса Яе«1. Так как для неньютоновских сред динамическая вязкость ц является коэффициентом пропорциональности сдвигового напряжения и градиента скорости Л/ф, то л о определяется по зависимости т = т0 + г|0 сМс/у, где Т]0 - коэффициент начальной

динамической вязкости, Па-с; т0 - начальное необходимое касательное напряжение сдвига, Па; с1г/с!у - градиент скорости потока, с'1.

Практика использования однонаправленной АЭО в каналах, состоящих из конической и цилиндрической частей, показывает, что невозможно добиться равномерной обработки вследствие изменения профиля потока РС непосредственно в обрабатываемой детали. Поэтому при обработке подобных деталей целесообразно использование выравнивающих устройств, позволяющих исключить перестройку профиля потока РС за счет преобразования условий ее течения от конуса к кольцевой щели и обеспечения равномерности расхода, как в кольцевой щели, так и в цилиндрической части канала.

Существующая модель расчета расходно-напорных характеристик потока РС в кольцевом канале, описанная Левко В.А. в монографии «Абразивно-экструзионная обработка. Современный уровень и теоретические основы процесса», построена для несжимаемой жидкости и не учитывает наличие так называемого поршневого течения - области, которая находится в центре потока и представляет собой ламинарно движущееся ядро.

Рисунок 2 - Расчетная схема для течения рабочей среды в кольцевом канале

Расход рабочей среды определяется на основании использования процессов течения бингамовской жидкости, описывающий процесс в кольцевом канале и кольцевой щели и показанный на рисунке 2:

б = =

.3

1

,(1)

(1-к4)-25+(8+-Т0)(1-К2)-^(1+К3)Т0 + ^(25+-Т0)3Т0

где £> - расход РС, м3/с; Ь - длина канала, м; Т10 - коэффициент начальной динамической вязкости, Па-с; Р - давление сдвига РС, Па; Я - внешний радиус кольцевого канала, м; г - расстояние до оси потока г - 57?, м; Т0 = 2таЬ / РЯ-безразмерное касательное напряжение сдвига (начальное необходимое для движения) бингамовской жидкости; е = г!Я~ безразмерное радиальное расстояние; к -

безразмерный коэффициент отношения внешнего и внутреннего радиусов кольцевой щели.

Для относительно высоких скоростей течения, когда область поршневого течения мала относительно размеров кольцевого канала при условии допущения (5+ + 5.) « 25 расход РС определяется выражением:

в =

тгЯ'Р

8/7 0Ь

--(1 + АГ3)Т0+-1п(1 / лг) 3 0 3

Г , 2 \3'2 1 -К ^

1п1 /к

(2)

Для бингамовского течения в тонкой кольцевой щели при к ~ 1 выражение упрощается:

е=

жЯАР 6 щЬ

(1 -к)'

1-1

1

+ — 2

1-х:

(3)

Таким образом, в работе по известному расходу РС, рассчитана величина ее давления в кольцевой щели обрабатываемого канала:

Р = -

(4)

А =

я Я* О А'

безразмерный коэффициент зависящий от геометрии канала равный (1 - к4) - 2ЗД - Т0)(1 - к1) - ^(1 + к3)Т0 +}-(2д+ - Т0)3Т0

где А

Зч ' и 3

Результаты расчетов по полученной аналитической модели показывают, что для АЭО скорость потока в канале зависит от величины давления сдвига, которая в свою очередь зависит от вязкости РС, площади поперечного сечения канала и давления среды на входе в канал. Градиент скорости течения РС вдоль обрабатываемого канала при установившемся течении практически слабо зависит от его длины.

В процессе обработки в результате накопления тепловой энергии в технологической системе происходит снижение вязкости рабочей среды. Левко В.А., предложил для определения зависимости вязкости РС от температуры использовать

уравнение Аррениуса-Френкеля-Эйринга (АФЭ): т]0 = ВТУ2ехр(ЕА / ЯШТ), где В -постоянная, зависящая от молекулярной природы среды; ЕА - энергия активации вязкого течения; Лсм - газовая постоянная; Т- температура рабочей среды.

Температуру рабочей среды в процессе обработки можно определить, схематизируя процесс и используя решение дифференциального уравнения теплопроводности методом тепловых источников:

г=-

4кШ

1- 1-ехр

о,315/г2 ш

(5)

где Ер - мощность действующего источника теплоты, Дж/с, I - время наблюдения, с; X - теплопроводность РС, Вт/м-°С; а - температуропроводность РС, м2/с.

Из уравнения энергетического баланса определена мощность теплового источника:

Ер =Агу Цу - Егр - [(рвх -А,ЫХ)К+ (Рг_ ■ 4) ■ "акт] / и (6) где рвх - давление на входе в канал, Па; рвых - давление на выходе из канала, Па; Иу -мощность потребляемая установкой для АЭО, Вт; г|у - КПД электропривода (потери

мощности в силовой сети) и гидропривода (потери мощности на преодоление гидравлических сопротивлений в установке); Е^ - мощность, затрачиваемая на холостом ходу установки (потери на трение), Вт; V - объем рабочей смеси, м3; 1К -длина канала, м; t - время обработки, с; Руг - сила воздействия (резания) единичного абразивного зерна, Н/шт; иа1П. - количество активных A3, шт.

С целью определения мощности источника теплоты, действующего в зоне обработки, необходимо установить количество активных A3, участвующих процессе.

Так как существующая методика определения количества активных зерен применима к цилиндрическим каналам и не учитывает наличие внутренней поверхности выравнивающего устройства, была предложена новая зависимость расчета для кольцевых каналов с переменной формой сечения (конусных каналов):

FK-Ba2 ' (7)

где Ккам - объем рабочих камер установки, м3; Пк - средний периметр поверхности обрабатываемого канала, м; Пву - средний периметр поверхности выравнивающего устройства, м; Ка - концентрация абразива; FK - площадь поперечного сечения обрабатываемого кольцевого канала м3; В а - зернистость абразива, мкм.

Таким образом, в результате проведенных теоретических исследований стало возможно оценивать основные параметры процесса течения PC с каналами переменной формы сечения с использованием выравнивающих устройств: давление и объемный расход рабочей среды в зависимости от ее вязкости и температуры.

Третий раздел посвящен экспериментальным исследованиям процессов, происходящих при абразивно-экструзионной обработке каналов переменного сечения, и выполнен в целях подтверждения теоретической модели и нахождения коэффициентов, необходимых для ее использования.

С целью изучения характера течения рабочей среды в каналах переменной формы проведены визуальные исследования. Предварительный анализ конструктивных особенностей исследуемой номенклатуры деталей выявил семь основных типовых элементов каналов с переменной формой сечения. Визуальные исследования заключалась в наблюдении за процессом течения среды, через каналы, состоящие из типовых элементов, а также измерении давления потока на входе (Рш) и выходе (Рвья) го каналов.

В соответствии с разработанной методикой было изготовлено специальное приспособление, состоящее из корпуса, в паз которого устанавливались образцы-имитаторы и крышки, имеющей окно из органического стекла толщиной 20 мм, через которое велась высокоскоростная киносъемка.

Рабочая среда, используемая для экспериментов состояла из каучука СКТ (ГОСТ 13835-75 «Каучуки силиконовые высокомолекулярные») - 48 %; фторопласта-4 - 2%; черного карбида кремния 53С (ГОСТ 26327-84 «Материалы шлифовальные из карбида кремния») величина зерна Ва = 250 мкм - 50 %. На ее поверхность, путем продавливания по шаблону, наносилась прямоугольная сетка размером 15x15 мм и глубиной до 2 мм, которая засыпалась белым элекгрокорундом 25А (ГОСТ 28818-90 «Материалы шлифовальные из электрокорунда) величина зерна Ва = 250 мкм таким образом, что схема нанесения позволила наблюдать цепочки абразивных зерен при течении среды в каналах образцов.

Каждый образец, имитирующий движение PC в канале определенного профиля, оказывает на поток влияние, величину которого можно выразить коэффициентом местного сопротивления: = + Yc/Re, где - коэффициент

конфигурации геометрии потока, равный Рвх/Рвых; ус - безразмерный градиент скорости. Для случая АЭО величины составляют соответственно ус ~ 0,01...0,1 и Ке«1. Отсюда можно принять ~ ^ = Рвх/Рвък.

На рисунках 3 и 4 приведены фотографии, иллюстрирующие процесс течения потока через исследуемые образцы. Образец, показанный на рисунке 3, представляет собой местное сужение канала от прямой щели к полуцилиндру.

В начальный момент течения, показанный на рисунке З.а, в центре канала среда, не встречая препятствия, начинает процесс сдвигового течения в полуцилиндр. При этом происходит деформация сетки - у длинение по оси течения и сжатие в поперечном направлении. В тех местах, где среда упирается в переднюю боковую поверхность образца, течение среды отсутствует.

а) б) в)

Рисунок 3 - Процесс течения через местное сужение канала от прямой щели к полуцилиндру

В этот момент в среде происходит перестройка профиля потока и образуется две зоны с различными условиями деформирования, при этом в зоне 1 (рисунок 3 а) наблюдается установившийся сдвиговый поток. Характер изменения сетки показывает наличие градиента скорости потока, который может быть описан гидродинамическими теориями. Напряжение упругой цепочки может быть описано преобразованной моделью Каргина - Слонимского - Рауза.

В зоне 2 наблюдается сжатие цепочки. Величина сжатия зависит от упругих свойств цепочки. Таким образом, в среде формируется две зоны с разными условиями деформирования. В первой зоне наблюдается напряжение растяжения, во второй зоне - напряжение сжатия. При достижении определенного критического значения, происходит сдвиг среды зоны 1 относительно среды в зоне 2. Отчетливо просматривается граница между зонами (рисунок 3 б). В этот момент окончательно формируется профиль потока и в зоне 1 напряжение растяжения переходит в режим сдвигового потока 4 (рисунок 3 в). Данный переход отчетливо прослеживается на осциллограммах, регистрирующих характер течения рабочей среды. Далее при перемещении поршня в рабочей камере все большая часть среды увлекается из зоны 2 в поток и перед препятствием в зоне 2 формируется застойная зона.

Внутри исследуемого канала застойная зона не образуется, контакт рабочей среды осуществляется по всей поверхности исследуемого образца без отрыва потока. Применение выравнивающих устройств в этом случае не требуется. При истечении среды из образца (рисунок 3 в) наблюдается зона 5 эффекта упругого восстановления струи, свидетельствующая о накопленных в потоке упругих деформациях. Аналогичный анализ проведен для всех 7 образцов.

а) конусное отверстие в перегородке; б) диффузор; в) конфузор Рисунок 4 - Начальный момент истечения среды через каналы различных сечений:

Результаты исследований, приведенные в таблице 1 показывают, что наибольшие потери давления поток испытывает в конусных каналах, изображенных на рисунке 4. а...в. При этом образуются застойные зоны у входа и выхода из канала. Отрыва потока от стенки не происходит. На выходе из каналов наблюдается упругое восстановление струи. Все перечисленные явления приводят к неоднородности распределения давления по длине канала, поэтому для равномерной обработки таких каналов рекомендуется изменить режим течения от конуса к кольцевой щели или применять однонаправленную АЭО.

Таблица 1 - Значения коэффициентов местного сопротивления для различных каналов

Тип канала Значения !;„

Местное сужение канала от прямой щели к полуцилиндру 2,3

Конусное отверстие в перегородке 23,5

Диффузор 23,0

Конфузор 20,0

Местное сопротивление треугольного профиля 2,25

Параллельные каналы 2,3

Коническое выравнивающее устройство 2,1

С целью имитации применения выравнивающего устройства проведены исследования процесса обтекания сопротивления треугольного профиля, расположенного острием вперед изображенного на рисунке 5 а.

а) местное сопротивление треугольного профиля; б) параллельные каналы; в) коническое

выравнивающее устройство Рисунок 5 - Начальный момент истечения среды через каналы различных сечений:

Местным сопротивлением поток рассекается на две части. На задней стенке наблюдается отрыв среды с постепенным ее упругим восстановлением и заполнением

всего объема канала. Движение потока в канале с выравнивающим устройством эквивалентно течению через несколько параллельно расположенных друг относительно друга каналов, имеющих одинаковые геометрические характеристики. Имитация такого течения реализована в образце, показанном на рисунке 56.

Профиль потока формируется на входе в каналы. На плоских фронтальных кромках каналов образуются застойные зоны. Расходно-напорные характеристики потоков в каналах практически идентичны.

Течение с коническим выравнивающим устройством имитировалось на образце, показанном на рисунке 5 в. Выравнивающее устройство разделяет канал на две части, в которых наблюдаются одинаковые процессы течения рабочей среды. В первоначальный момент времени в среде возникает две зоны 1 с деформацией растяжения и три зоны 3 с деформацией сжатия. В зонах растяжения после достижения критического значения возникает процесс течения сдвига среды.

На вершине конуса на входе в канал нет застойной зоны и отрыва потока. На прямом основании образуется застойная зона, а при истечении среды с прямого основания происходит отрыв потока. Срыв потока происходит и со скругленного основания, а образование застойной зоны не наблюдается. Расходно-напорные характеристики в обеих частях канала одинаковы.

При анализе движения отдельных абразивных зерен в потоке установлено, что они перемещаются по линиям тока. При установившемся течении расстояние между соседними зернами не изменяется. Тем самым подтверждается предположение об образовании в потоке упругой цепочки абразивных зерен.

В результате проведенных исследований определено влияние характера течения абразивной рабочей среды через каналы, образованные конструктивными элементами деталей, на равномерность процесса обработки. Получены численные значения коэффициентов потерь давления потока, позволяющие рассчитывать параметры абразивного потока в канале, а также прогнозировать условия контакта с учетом характерных особенностей канала.

С целью практического использования зависимости (5) возникла необходимость определения коэффициентов теплопроводности X и температуропроводности а. Нами установлено, что эти коэффициенты существенно зависят от концентрации абразива и мало зависят от других факторов.

Изучение влияния концентрации АЗ на теплопроводность и температуропроводность рабочей среды выполнено с использованием двух самых распространенных наполнителей - карбида кремния черного зернистостью 100 и электрокорунда белого зернистостью 50.

Определение теплопроводности А. выполнялось на специально созданной установке с помощью метода плоского слоя. Метод заключается в измерении разницы температур на разных поверхностях плоского слоя рабочей среды определенной толщины, при прохождении через него одномерного теплового потока определенной мощности. В результате получен коэффициент теплопроводности в зависимости от концентрации абразива в РС для элекгрокорунда белого:

Хж = - 0,046 - 0,045-Ка + 0,008-Ка2 - 5,6- 10"5Ка3; (8)

и для карбида кремния черного:

Хшх = - 0,322 - 0,016-Ка + 0,013-Ка2 - 8,56-10~5Ка3. (9)

Метод определения температуропроводности основан на измерении времени изменения температуры в одномерном слое рабочей среды, при периодически вводимом в образец тепловом потоке определенной мощности. Коэффициент

температуропроводности при этом определен измерением скорости нагрева и временного запаздывания максимума температуры на свободной поверхности образца относительно момента включения вводимой в образец мощности.

Коэффициент температуропроводности в зависимости от концентрации абразива для электрокорунда белого:

схэк =-6,3-10"5 + 9,09-10"6Ка + 1,14-10"6Ка2-6,75-10"9Ка3; (10)

для карбида кремния черного:

акк = - 3,02-10"4 + 5,09-10"5Ка + 1,3-10~бКа2- 2,94-10"9Ка3. (11)

Кроме того установлено, что температуропроводность и теплопроводность рабочей среды в диапазоне 20...50°С незначительно зависит от рабочих температур, величины абразива и других факторов не связанных с составом РС.

Таким образом, подтверждается применимость зависимости Аррениуса-Френкеля-Эйринга для определения вязкости рабочей среды. При этом отсутствует необходимость применения дополнительных охлаждающих устройств для обработки деталей с применением выравнивающих устройств.

Далее проведены исследования АЭО каналов с переменной формой сечения. Исследования проводились на опытно-промышленной установке УЭШ-100 на образце, имеющем коническую часть, переходящую в цилиндр.

Цель исследований определения параметров обработки (давление, съем металла) от геометрических характеристик канала и состава РС. Образцы для исследования были закреплены в приспособлении, изображенном на рисунке 6, как в цилиндрической, так и в конусной частях канала. Каждый образец предварительно маркировали и шлифовали с противоположной стороны.

Рисунок 6 - Приспособление для исследования процесса АЭО

На образцах были нанесены реперные точки диаметром и глубиной 1 мм, измерены твердость и шероховатость поверхности, толщина образца.

Измерения шероховатости и съема металла проводили в части канала с постоянным сечением и в трех точках в конической части канала: в месте перехода

конуса в канал с постоянным сечением, в середине конического канала; в максимальном сечении конического канала.

В результате исследований получены зависимости изменения давления, величины съема металла и шероховатости поверхности в конусном канале по длине обработки, изображенные на рисунках 7 а.. .в и 8 а.. .в.

Установлено, что величина съема металла, как в конусном, так и цилиндрическом канале имеет прямую зависимость от величины давления РС.

а) место перехода конуса в канал с постоянным сечением, б) середина конического канала;

в) максимальное сечение конического канала Рисунок 7 - Зависимость величины съема металла ДЬ от величины абразива Ва и давления рабочей среды Ррс в конической части канала в точках промера а), б), в)

а) место перехода конуса в канал с постоянным сечением, б) середина конического канала;

в) максимальное сечение конического канала. Рисунок 8 - Зависимость шероховатости Ла от величины абразива Ва и давления рабочей среды Ррс в конической части канала в точках промера а), б), в)

Величина удаленного слоя металла в конусном канале не равномерна и достигает максимального значения в зоне с наименьшим по площади поперечным сечением. Наибольший съем металла наблюдается на кромке перехода из цилиндра в конус и в прилегающей к кромке части конуса вследствие релаксации потока РС при его движении в направлении расширения канала. При применении двунаправленной АЭО это приводит к увеличению съема металла в месте перехода цилиндра в конус.

Равномерности сьема не удается добиться даже с использованием однонаправленной АЭО в направлении к уменьшению площади поперечного сечения канала. Это связано с увеличением количества активных АЗ, воздействующих на каждый следующий уменьшающийся периметр поперечного сечения обрабатываемого канала (единицу поверхности) при постоянном объеме РС в рабочих камерах.

Шероховатость поверхности зависит от количества циклов обработки и в течение первых 15...30 циклов она уменьшается. В дальнейшем она достигает определенной минимальной установившейся величины. Минимальная величина шероховатости зависит от давления РС, концентрации абразива Ка в РС, величины абразива Ва. С уменьшением площади канала детали высота микронеровностей ПС уменьшается, поэтому в цилиндрическом канале шероховатость наименьшая и равномерна по всей длине. В коническом канале величина шероховатости и съема металла изменяются в зависимости от площади поперечного сечения в канале.

Таким образом, были экспериментально подтверждены теоретические предположения, что для обеспечения равномерности обработки необходимо, чтобы количество активных АЗ проходящих через каждое поперечное сечение канала было одинаковым. Этого условия можно добиться только при использовании выравнивающих устройств преобразующих конический канал в кольцевой.

Четвертый раздел посвящен разработке методики расчета технологических параметров АЭО с применением выравнивающих устройств.

На первом этапе создания методики были проведены исследования абразивно-экструзионной обработки деталей с переменной формой поперечного сечения на примере обработки сопла-насадка термопластавтомата с применением выравнивающего устройства, показанного на рисунке 9.

В конусную часть канала детали 1 помещают выравнивающее устройство 2, образующее с внутренней поверхностью канала кольцевой зазор. После этого деталь 1 закрепляют при помощи нижнего 3 и верхнего 4 переходников и основания 5 в цилиндрах 7 и 8 на установке для продавливания РС. В местах контакта детали 1 с верхним 4 и нижним 3 переходниками установлены уплотнения 6 для предотвращения появления скруглений кромок входного и выходного отверстий канала. Выравнивающее устройство 2 выполнено в форме конуса с размерами, обеспечивающими постоянство площади поперечного сечения кольцевого зазора между внутренней поверхностью конусной части канала и наружной поверхностью выравнивающего устройства по всей длине канала.

Исследования проведены в два этапа. На первом этапе установлены эмпирические зависимости шероховатости Яа и изменения наружного диаметра кольцевого канала ДО от величины абразива Ва и площади кольцевого зазора 5заз.

Яа = -7,9• КГ2 -1,6 • КГ^Ва + 3,4• 10"25заз +1,6 • КГ^Ва2 -Ю"3^ + Ю^Ва^, (12) Д£> = 1,324-3-10~4Ва-1,54-НГ2£,аз +3-10"6Ва2 +9-1СГ4.5^3-З-Ю^Ва^. (13)

1 - деталь (сопло-насадок); 2 - выравнивающее устройство; 3 и 4 - нижний и верхний

переходники; 5 - основание; 6 - уплотнения; 7 и 8 - рабочие камеры установки Рисунок 9 - Схема АЭО сопла-насадка с использованием выравнивающего устройства

Расчеты по полученным зависимостям установили, что расход потока в кольцевой щели меньше, чем в цилиндрическом канале в 1,8 раза, а пристеночный градиент давлений - в 1,2 раза. Для компенсации дополнительных потерь на трение в кольцевой щели, т.е. чтобы уравнять расход и пристеночный градиент для обеих частей канала (конусной и цилиндрической), для кольцевой щели площадь зазора 5заз необходимо увеличивать в 1,2... 1,8 раза.

На втором этапе исследования проводились с площадью кольцевого зазора увеличенной в 1,8 раза относительно площади цилиндрического канала, при этом целью эксперимента было определение количества циклов АЭО по обеспечению заданной равномерной шероховатости ПС.

В результате АЭО заготовок сопла-насадка позволила изменить структуру ПС, показанную на рисунке 10.

а) исходное, б) после 15 циклов в) после 30 циклов

Рисунок 10 - Состояние ПС детали из стали 38ХГС (увеличение в 63 раза)

В исходном состоянии шероховатость Яа ~ 1,25 мкм имела произвольную направленность, наблюдались хаотично расположенные поверхностные дефекты.

Структура ПС после АЭО стала однородной и представлена рисками шириной 1...10 мкм, протяженностью от 100 мкм. Шероховатость приобрела параллельное направление, совпадающее с направлением потока. Глубина и ширина рисок подтверждает, что контакт зерна с ПС осуществляется на уровне микронеровностей.

Получены адекватные эмпирические зависимости шероховатости Да и величины съема ДА от параметров обработки Рех - давления РС на входе в канал и Ва - зернистости абразива:

/?а = 1,658-17-10-2РЬ% -4-10'3Ва + 4-10~ъРт2 +4-1 (Г7Ва2 +3,4-1 О^Ва; (14) А/г = 632,52 -118,28РВХ - 1,27Ва + 5,42Рвх2 + 2,3 -1(Г4Ва2 +17,6 • Ю"3РвхВа. (15)

В результате экспериментов на натурных деталях установлено, что для обеспечения требуемого качества ПС необходимо выполнять не менее 30 циклов АЭО. Использование выравнивающего устройства при обработке конусных каналов обеспечило равномерную шероховатость ПС как в цилиндрической, так и в конусной части. Установленные технологические параметры АЭО позволили обеспечить шероховатость Яа = 0,20...0,25 мкм по всей поверхности канала, изменение диаметра цилиндрического канала ДО = 0,12 мм.

Результаты экспериментов использованы для создания методики, уточняющей общий расчет технологических параметров АЭО каналов с использованием выравнивающих устройств.

Методика включает в себя пять этапов:

На первом этапе реализуется выбор требуемого состава РС, как абразивного инструмента по известным зависимостям вязкоупругих свойств с учетом величины сдвигающих напряжений в рабочей камере установки.

На втором этапе проводятся расчеты расходно-напорных характеристик потока (с учетом рабочих температур) в зависимости от состава РС, физико-механических свойств и состояния ПС обрабатываемой детали.

На третьем этапе на основе контактной модели рассчитываются параметры взаимодействия АЗ с поверхностью детали: вычисляются фактические площади контакта, величины и направления сил, возникающих при контакте (по существующим моделям), а также размерности сближения (величину съема материала) при единичном контакте.

На четвертом этапе производится определение достижимой шероховатости поверхности и производительности обработки в исследуемом канале с учетом расходно-напорных характеристик потока.

На пятом этапе осуществляется верификация расчетов при помощи моделирования процесса АЭО, а также экспериментальная отработка технологии на образцах с использованием опытно-промышленного оборудования.

На основании предложенной методики разработаны рекомендации по созданию технологического процесса АЭО деталей широкой номенклатуры. Внедрение методики в экспериментальное производство ЗАО «Спецтехномаш» обеспечило сокращение объема и сроков экспериментальных исследований при разработке ТП АЭО новых деталей в 6,5 раз.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате теоретических и экспериментальных исследований решена важная проблема обеспечения равномерности АЭО деталей с каналами переменной формы сечения (достижения постоянства параметров шероховатости и величины съема металла по длине канала). При этом получены следующие результаты:

1. Современный уровень технологических возможностей процесса абразивно-экструзионной обработки каналов с переменной формой сечения не обеспечивает равномерности получения шероховатости и величины удаления дефектного слоя обработанной поверхности, что препятствует широкому внедрению способа в производство.

2. Определено влияние характера течения рабочей среды через каналы с переменной формой поперечного сечения и кольцевые каналы, на равномерность в процессе абразивно-экструзионной обработки, а так же даны рекомендации по управлению технологическим процессом АЭО таких деталей.

3. Установлена степень влияния нагрева РС на условия АЭО при обработке деталей с переменной формой поперечного сечения с использованием выравнивающих устройств.

4. Разработана методика расчета параметров технологического процесса (давления, расхода РС, количества активных АЗ) абразивно-экструзионной обработки каналов с применением выравнивающего устройства.

5. Впервые разработан способ абразивно-экструзионной обработки канала, выполненного в форме цилиндра, переходящего в конус, при котором была обеспечена равномерная обработка всех поверхностей канала с шероховатостью Яа = 0,20...0,25 мкм.

6. Анализ результатов внедрения нового способа показал, что предложенная методика расчета параметров технологического процесса обработки с использованием выравнивающих устройств адекватна и позволяет сократить сроки подготовки производства новых деталей с переменной формой сечения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Левко, В.А. Влияние состава рабочей среды на технологические режимы абразивно-экструзионной обработки сложнопрофильных деталей / В.А. Левко, Е.Б. Пшенко // Вестник СибГАУ, 2006,- Вып.11,- С. 64-68.

2. Пшенко, Е.Б. Исследование энергетических процессов в зоне резания при абразивно-экструзионной обработке / Е.Б. Пшенко, П.А. Снетков // Вестник СибГАУ, 2006,-№6. С. 100-103.

3. Левко, В.А. Технология абразивно-экструзионной обработки поверхностей каналов с применением выравнивающего устройства / В.А. Левко, Е.Б. Пшенко // Металлообработка, 2008,- № 2.- С. 7-10.

4. Левко, В.А. Исследование влияния формы обрабатываемого канала на течение рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке / В.А. Левко, Е.Б. Пшенко, М.А. Лубнин // Вестник СибГАУ, 2009. - № 4 (25). С. 138 - 145.

5. Пшенко, Е.Б. Экспериментальное определение коэффициентов вязкости, упругости и пластичности рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке / Е.Б. Пшенко, П.А. Снетков, В.А. Левко // Вестник СибГАУ, 2009. - № 4,- С. 134-138.

6. Levko, V.A. Researching influence finishing canal shape to flow media for abrasive flow machining process / V.A. Levko, MA. Lubnin, E.B. Pshenko // Vestnik. Scientific Journal of Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev, 2009.- № 5,- P. 93-99.

7. Pshenko, E.B. Experimental determination factor to viscosity, elasticity and plasticity media for abrasive flow machining process / E.B. Pshenko, P.A. Snetkov, V.A. Levko // Vestnik. Scientific Journal of Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev, 2009,- № 5,- P. 99-103.

8. Левко, В.А. Исследование процесса абразивно-экструзионной обработки каналов с переменной формой сечения / В.А. Левко, Е.Б. Пшенко, П.А. Снетков // Вестник СибГАУ, 2011,- № 3,- С. 140-145.

9. Пат. 2469832 Российская Федерация, МПК В 21 В 31/116 Способ абразивно-эксгрузионной обработки канала с цилиндрической и конусной частями / В.А. Левко, Е.Б. Пшенко ; опубл. 20.12.2012, Бюл. № 35. - 7 с.: ил.

В других изданиях:

10. Пшенко, Е.Б. Исследование влияния температуры обработки на процесс абразивно-экструзионного хонингования / Е.Б. Пшенко, Д.А. Нарушевич, Е.С. Струзик // Решетневские чтения: Материалы IX Международной научной конференции.- Красноярск: СибГАУ, 2005 С. 166-167.

11. Пшенко, Е.Б. Разработка модели взаимодействия микро- и субмикровыступов активного абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью при абразивно-экструзионном хонинговании / Е.Б. Пшенко, М.В. Ермошкина, А.В. Егоров // Решетневские чтения: Материалы IX Международной научной конференции-Красноярск: СибГАУ, 2005.- С. 167-168.

12. Пшенко, Е.Б. Энергетический баланс при абразивно-экструзионной обработке / Е.Б. Пшенко II Решетневские чтения: Материалы X Международной научной конференции,- Красноярск: СибГАУ, 2006.- С. 186.

13. Пшенко, Е.Б. Абразивно-экструзионная обработка деталей с переменной формой сечения / Е.Б. Пшенко, Д.А. Нарушевич, А.А. Бауэр // Решетневские чтения: Материалы X Международной научной конференции.- Красноярск: СибГАУ, 2006 -С. 187.

14. Левко, В.А. Расчет параметров потока среды при абразивно-экструзионной обработке на основе модели безнапорного течения / В.А. Левко, Е.Б. Пшенко, Е.Н. Чиркова // Решетневские чтения: матер. XI Междунар. науч. конф.-Красноярск: СибГАУ, 2007,- С. 183-184.

15. Пшенко, Е.Б. Разработка методики определения калориметрических свойств рабочей среды при абразивно-экструзионном хонинговании / Е.Б. Пшенко // Решетневские чтения: Материалы XI Международной научной конференции,-Красноярск: СибГАУ, 2007,- С. 198-199.

16. Пшенко, Е.Б. Особенности однонаправленной абразивно-экструзионной обработки / Е.Б. Пшенко // Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: Сб. науч. тр.- Красноярск: ГУЦМиЗ, 2006,- Вып. 12,- С. 61-63

17. Левко, В.А. Исследование абразивно-экструзионной обработки каналов с конусной формой сечения / В.А. Левко, Е.Б. Пшенко // Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: Сб. науч. тр.- Красноярск: ГУЦМиЗ, 2006, Вып 12,- С. 63-66.

Соискатель Е.Б. Пшенко

Подписано в печать 20.01.2013. Формат 60x84x16. Объем 1,3 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № -¡ЯЗ

Отпечатано в отделе копировально-множительной техники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева», 660014, г.Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева»

На правах рукописи

Пшенко Елена Борисовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АБРАЗИВНО-ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ С КАНАЛАМИ ПЕРЕМЕННОЙ ФОРМЫ СЕЧЕНИЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

О

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

ю 5

СО 8

Г" иб

О о Научный руководитель

СМ $2

д-р. техн. наук, доцент Левко Валерий Анатольевич

Красноярск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...........................................................................................................................5

1 Современный уровень, основные проблемы и пути совершенствования

абразивно-экструзионной обработки каналов с переменной формой

сечения........................................................................................................................7

1.1 Анализ технологических возможностей абразивно-экструзионной обработки на современном уровне......................................................................9

1.1.1 Конструктивные особенности обрабатываемых деталей

с переменной формой сечения.................................................................11

1.1.2 Конструктивные особенности устройств, создающих течение рабочей среды при обработке деталей с переменной формой сечения.............12

1.1.3 Конструктивные особенности устройств, формирующих

характер потока рабочей среды................................................................14

1.1.4 Состав рабочей среды и технология ее приготовления.........................15

1.1.5 Специальные способы абразивно-экструзионной обработки................16

1.2 Анализ моделей, используемых для теоретического описания

процесса абразивно-экструзионной обработки................................................19

1.2.1 Модели течения рабочих сред как перемещения абразивного

инструмента при абразивно-экструзионной обработке........................20

1.2.2 Модели контактных процессов, возникающих при взаимодействии рабочей среды и обрабатываемой детали...............................................25

1.2.3 Модели, описывающие зависимость производительности и качества абразивно-экструзионной обработки от параметров технологического процесса......................................................................34

1.3 Основные направления совершенствования технологии абразивно-экструзионной обработки деталей с переменной формой поперечного сечения..........................................................................................41

Выводы...........................................................................................................................43

2 Теоретические исследования абразивно-экструзионной обработки деталей с каналами переменной формы сечения...................................................49

2.1 Теоретическое моделирование реологических процессов

при абразивно-экструзионной обработке.........................................................49

2.1.1 Модель течения рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке в канале кругового сечения....................................................52

2.1.2 Модель течения рабочей среды при абразивно-экструзионной

обработке в кольцевых каналах..............................................................56

2.2 Моделирование тепловых процессов при абразивно-экструзионной обработке в кольцевом канале...........................................................................61

Выводы...........................................................................................................................66

3. Исследования процессов абразивно-экструзионной обработки

каналов с переменной формой сечения...................................................................69

3.1 Визуальные исследования процесса течения рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке каналов

с переменной формой сечения..........................................................................69

3.2 Экспериментальные работы по изучению обработки каналов

с переменной формой сечения без применения выравнивающих устройств.............................................................................................................74

3.3 Исследования процесса абразивно-экструзионной обработки

каналов типа «кольцевая щель»........................................................................90

3.4 Исследование теплофизических свойств рабочей среды................................100

3.4.1 Определение эффективного коэффициента

теплопроводности рабочей среды...........................................................101

3.4.2 Определение эффективного коэффициента температуропроводности рабочей среды...............................................107

Выводы...........................................................................................................................112

4. Разработка методики расчета технологических параметров абразивно-экструзионной обработки с применением выравнивающих устройств..............115

4.1. Исследования абразивно-экструзионной обработки деталей

с переменной формой поперечного сечения с использованием выравнивающих устройств.............................................................................116

4.2. Методика расчета технологических параметров абразивно-экструзионной обработки с применением выравнивающих устройств.................................125

Выводы...........................................................................................................................134

Заключение.....................................................................................................................135

Список сокращений и условных обозначений...........................................................141

Список литературы........................................................................................................143

Приложение А................................................................................................................160

Приложение Б................................................................................................................161

Приложение В................................................................................................................162

Приложение Г................................................................................................................164

Приложение Д................................................................................................................165

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа направлена на совершенствование технологии производства деталей профильные поверхности, которых предназначены для выполнения основных эксплуатационных функций.

К области исследования работы относятся технологические процессы (ТП) и специальное оборудование для изготовления сложнопрофильных деталей в области обработки металлов резанием, а именно технология и средства изготовления технологических поверхностей оснастки и деталей.

Актуальность темы диссертации. В настоящее время существует целый класс деталей содержащих открытые и закрытые каналы переменной формы сечения, к качеству поверхностного слоя которых предъявляются повышенные технологические требования. Это детали летательных аппаратов (сопла двигателей малой тяги, крыльчатки турбонасосных агрегатов), высокоточные детали автотранспорта (форсунки, распылители), детали технологической оснастки (матрицы для металопрофилей, сопла термопластавтоматов) и.др.

Все эти детали относятся к классу, для которого проблемы обеспечения надежности и долговечности особенно актуальны. Связано это, прежде всего с тем, что с целью минимизации массовых характеристик детали конструируют тонкостенными, сложной геометрической формы. Одновременно к деталям применяются повышенные требования по (увеличению ресурса деталей) прочности, термостойкости, износостойкости определяемые (обусловленные) эксплуатационными условиями: воздействием высоких статических и динамических характеристик амплитуда и частота которых изменяются в широких пределах, воздействием агрессивных сред, наличием абразивных частиц в газовом потоке, резким изменением температур в широком диапазоне (тепловые удары) и т.д.

Указанные факторы приводят к разупрочнению и разрушению деталей, проявляющемуся в самых различных формах: развитие усталостных трещин и накопление дефектов структуры, различные виды коррозии, абразивный износ, эрози-

онные повреждения, термоусталость и др. При этом перечисленные дефекты начинают возникать в поверхностном слое деталей. Поэтому важнейшим ресурсом повышения эксплуатационных характеристик деталей является улучшение качества поверхностного слоя: уменьшение шероховатости, снятие растягивающих и уменьшение излишних сжимающих напряжений, создание упорядоченной микрогеометрии поверхностного слоя в направлении движения газовых (топливных) потоков и др.

Наиболее производительной и эффективной для снятия дефектного слоя с поверхности сложнопрофильных каналов является АЭО.

В производстве сложных деталей для уменьшения величины или удаления дефектного поверхностного слоя (ПС) внутренних поверхностей применяют специальные методы финишной обработки (ФО). К таким методам относится абра-зивно-экструзионная обработка (АЭО), заключающаяся в перепрессовании вязко-упругой, наполненной абразивными зернами (АЗ) рабочей среды (РС) под давлением 5... 12 МПа вдоль обрабатываемой поверхности канала.

Практика применения АЭО показала, что по ряду причин в России этот метод, являющийся разновидностью струйной абразивной обработки, не получил широкого применения. В настоящее время он применятся преимущественно для ФО каналов с постоянной формой поперечного сечения.

При изменении формы поперечного сечения обрабатываемого канала при АЭО изменяются условия течения РС, а, следовательно, и режимы обработки. Это приводит к неравномерности обработки ПС по шероховатости и величине съема металла по длине обрабатываемого канала. Для устранения влияния изменения формы поперечного сечения применяют способ АЭО с выравнивающими приспособлениями, преобразующими форму поперченного сечения обрабатываемого канала от сложно-переменной к простой и постоянной по всей длине форме.

Для описания движения потока среды в обрабатываемом канале простой формы сечения (плоская щель, окружность, кольцевой зазор) применяют точные решения уравнений гидродинамики. Однако в этих моделях не учтено влияние возникающих в среде нормальных напряжений и изменения температуры, кото-

рые, как показывает практика, оказывают существенное влияние на процесс обработки.

В настоящее время технологический процесс (ТП) АЭО деталей с переменной формой сечения разрабатывается и управляется при помощи эмпирических зависимостей, что при внедрении технологии АЭО в производство новых деталей требует существенных расходов, связанных с большим объемом дополнительных исследований по выбору параметров ТП. Как следствие, для окончательной обработки деталей с переменной формой сечения до сих пор применяют менее эффективные методы финишной обработки, в том числе и ручную доводку.

Таким образом, существует проблема обеспечения равномерности шероховатости поверхности при обработке каналов с переменной формой поперечного сечения. Для ее решения необходимо разработать методику расчета параметров технологии АЭО с использованием выравнивающего устройства, что позволит сократить расходы на подготовку производства новых деталей и расширит технологические возможности данного способа ФО.

В этой связи тема диссертационной работы является актуальной. Диссертационная работа выполнена на основании исследований, проведенных в рамках федеральной целевой программы «Научные, научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».

Целыо работы является совершенствование технологии абразивно-экструзионной обработки деталей с переменной формой сечения.

Для достижения данной цели был поставлены следующие задачи:

1 Выполнить конструктивно-технологический анализ деталей с переменной формой сечения, дать оценку современного уровня и технологических возможностей процесса АЭО с использованием выравнивающих устройств, выявить основные проблемы и направления развития этого способа.

2 Для обеспечения равномерности обработки экспериментально уточнить характер течения рабочей среды в каналах с переменной формой сечения и в кольцевой щели, разработать рекомендации по управлению технологическим процессом АЭО таких деталей.

3 Провести исследования влияния нагрева рабочей среды на условия обработки с использованием выравнивающего устройства.

4 Разработать методику расчета параметров технологического процесса аб-разивно-экструзионной обработки каналов с переменной формой сечения.

5 Выполнить сравнительный анализ полученных результатов по предложенной методике с данными полученными экспериментальным путем и результатами обработки на натурных деталях.

Объектом исследования, в представленной работе является АЭО каналов с переменной формой сечения, предметом режимы обработки таких каналов.

Научная новизна работы заключается в получени:

- нового способа абразивно-экструзионной обработки каналов, выполненных в форме цилиндра, переходящего в конус, который обеспечивает равномерную обработку всех поверхностей канала с шероховатостью Ка = 0,20...0,25 мкм.

- методики расчета параметров технологического процесса (давления, расхода РС, количества активных АЗ) абразивно-экструзионной обработки каналов с применением выравнивающих устройств, позволяющих изменять условия сдвигового течения рабочей среды в кольцевой щели.

- эмпирической модели степени влияния нагрева рабочей среды на основные технологические параметры (шероховатость и величину съема металла) при обработке деталей с применением выравнивающего устройства.

Практическая значимость работы заключается в решении важной проблемы по расширению технологических возможностей АЭО и снижения сроков подготовки производства новых деталей с переменной формой сечения за счет использования методики расчета параметров технологических процессов обработки с выравнивающими устройствами.

Внедрение метода обеспечило сокращение объема и сроков экспериментальных исследований при разработке ТП АЭО новых деталей в опытном производстве на ЗАО «Спецтехномаш» в 6,5 раз. Основные результаты работы используются в учебном процессе на кафедре Технологии машиностроения Сибирского

государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева.

Методы исследования. Общий подход к решению проблемы основан на математическом моделировании процесса АЭО. Для решения поставленных задач использовались научные основы процесса АЭО, основанные на теоретических и экспериментальных методах исследования, теории течения жидкостей, реологии полимеров и теплофизического анализа. При проведении исследований использовалась теория научного эксперимента, теория планирования многофакторных экспериментов, средства измерительной и вычислительной техники. На основе теоретических разработок выполнены эксперименты на опытных образцах и натурных деталях с переменной формой поперечного сечения.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории отделочных методов обработки Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева, а также в производственных условиях ЗАО «Спецтехномаш».

Достоверность полученных результатов и правомерность принятых допущений подтверждены экспериментальными данными, обработка которых осуществлялась в соответствии с ГОСТ 8.207-76 «Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения». Адекватность полученных моделей проверялась при помощи статистических методов оценки с использованием критерия Фишера.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса абразивно-экструзионной обработки деталей с каналами переменной формой сечения;

- модель течения рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке кольцевых каналов;

- модель тепловых процессов при абразивно-экструзионной обработке с применением выравнивающих устройств;

- методика расчета технологических параметров абразивно-экструзионной обработки с применением выравнивающих устройств;

- практические рекомендации по применению выравнивающих устройств для абразивно-экструзионной обработки деталей с переменной формой поперечного сечения.

Личный вклад соискателя. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в данной работе, получены автором самостоятельно. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследований, выбор методик проведения и выполнение экспериментов, обработка полученных результатов, разработка аналитических и эмпирических моделей, подача заявки на патент, непосредственное выполнение опытно-промышленных испытаний и внедрение в производство научных разработок, написание статей и докладов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на международных и всероссийских научных конференциях.

Публикации. Результаты работы опубликованы в 17 научных работах, в том числе 8 статьях в журналах из перечня ВАК, 1 патенте на изобретение.

1 Современный уровень, основные проблемы и пути совершенствования абразивно-экетрузионной обработки каналов с переменной формой сечения

АЭО, в основном, применяется для ФО деталей и технологической оснастки со сложными поверхностями, в том числе с переменной формой поперечного сечения кан