автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Создание способов и разработка технологии комбинированной электрохимикомеханической обработки точных изделий с формированием высокоресурсного поверхностного слоя

На правах рукописи

БОЛД В Александр Иванович

>

СОЗДАНИЕ СПОСОБОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОХИМИКОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ТОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ФОРМИРОВАНИЕМ ВЫСОКОРЕСУРСНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Специальности: 05.02.07 - Технология и оборудование

механической и физико-технической обработки 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

г 8 ФЕВ 2013

005050164

Воронеж-2012

005050164

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный консультант Смоленцев Владислав Павлович,

доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный технический университет, профессор кафедры технологии машиностроения

Официальные оппоненты: Бутенко Виктор Иванович, доктор

технических наук, профессор, Таганрогский технологический институт Южного федерального университета, профессор кафедры механики;

Газизуллин Камиль Мирбатович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», профессор кафедры динамики и прочности машин;

Бондарь Александр Викторович,

доктор технических наук, доцент, ООО «АФК Технология», главный инженер

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет»

Защита состоится 27 марта 2013 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.04 ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 11 февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кириллов О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В ранее выполненных нами работах установлено, что степень наклепа значительно влияет на показатели усталостной прочности изделий. При этом требуется достичь наклепа, оптимального для каждого материала деталей. Этот показатель зависит от наследственных явлений, режимов обработки и при существующих методах механического упрочнения не может быть стабильным. Все попытки получить оптимальный (с позиций повышения усталостной прочности) наклеп не давали стабильного результата из-за исходного состояния поверхностного слоя, где наблюдался большой разброс показателей наклепа. Предшествующая термическая обработка достаточно эффективно снимала внутренние напряжения, но не давала стабильного наклепа в наружном слое. Это заставляло его удалять, но механические способы вновь вызывали наклеп, который не позволял получить при последующей обработке требуемое упрочнение.

Процессы электрохимической размерной обработки с последующим механическим упрочнением не позволяли получить заданную точность, шероховатость и наклеп поверхностного слоя, т.к. выполнялись раздельно и без достижения требуемых показателей.

Разработанные нами способы и устройства позволили создать принципиально новую систему управления процессом комбинированной элек-трохимикомеханической обработки, открывающей возможность получить высокую точность, низкую шероховатость и гарантировать достижение предела усталостной прочности, обеспечивающего запас длительной работоспособности изделий при многоцикловых нагружениях, свойственных, в частности, авиационно-космической и другой транспортной технике. При научном обосновании гарантированного повышения усталостной прочности разработчики современной техники получают возможность снизить массу силовых элементов, что создает пути выхода на выпуск конкурентоспособной промышленной продукции.

Поставленная проблема актуальна для промышленности. Она является основой для выполнения государственных программ «Мобильный комплекс» (раздел «Техническое перевооружение». Постановление Правительства РФ № 2164 П) и «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» (Федеральный закон № 94 - ФЗ от 21 июля 2005 г.), а также научного направления ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с планом ГБ НИР № 2007.15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».

Научная проблема заключается в технологическом решении проблемы обеспечения высокого уровня точности металлических изделий с одновременным достижением предельного значения эксплуатационного

показателя - предела прочности изделий при многоцикловых нагружениях, свойственных высокоресурсным объектам транспортной и другой техники.

Цель и задачи исследования. Целью работы является создание и реализация новых способов и технологии комбинированной обработки с наложением электрического поля, позволяющих совместить достоинства электрохимической размерной обработки с упрочняющей технологией за счет единого технологического подхода к управлению процессом по постоянству силы подачи комбинированного инструмента.

Для достижения поставленной цели сформированы и решены следующие задачи:

1. Научное обоснование и создание способов комбинированной обработки, обеспечивающих получение повышенной точности и управляемой величины оптимального наклепа для достижения высокой усталостной прочности высокоресурсных изделий.

2. Раскрытие механизма комбинированной обработки металлических

изделий.

3. Моделирование процессов, используемых в созданных способах

комбинированной обработки.

4. Разработка методики проектирования режимов и технологии использования разработанных способов комбинированной обработки.

5. Исследование технологических возможностей разработанных способов обработки.

6. Разработка технологии комбинированной обработки для типовых

видов поверхностей.

7. Исследование возможностей новых способов при изготовлении

изделий различного назначения.

Методы и достоверность исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием базовых положений и фундаментальных основ упрочняющих, электрохимических и комбинированных методов обработки. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием планирования эксперимента и регрессионного анализа.

Достоверность проведенных исследований, научных положений, выводов и рекомендаций, полученных в работе, подтверждается согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с применением современных методов, и статистической обработкой данных, а также апробацией полученных результатов.

Выявленные при этом элементы научной новизны и практической ценности выдвигаются автором в качестве основных положений для защиты.

Научная новизна.

1. Научно обоснованы и созданы новые способы комбинированной обработки наружных и внутренних поверхностей металлических изделий. Способы базируются на новом принципе управления комбинированным

процессом по силе подачи комбинированного инструмента вдоль зоны формообразования, где имеет место адаптивное управление процессом анодного растворения припуска до заданного профиля за счет поддержания скорости перемещения калибрующего элемента и управления движением калибрующего элемента через съем припуска со стороны подачи электрода-инструмента. Способы позволяют управлять съемом, формировать профиль повышенной точности и требуемое качество поверхностного слоя за счет использования силовой подачи вдоль зоны обработки одновременно на электрод-инструмент и калибрующий элемент, который связан с электродом в форме единого инструмента. На способы получено 12 авторских свидетельств и патентов СССР и РФ.

2. Раскрыт механизм формирования геометрии и поверхностного слоя при едином принципе управления процессом по величине постоянной подачи и величине стабильного расчетного наклепа материалов для изготовления высокоресурсных изделий.

3. Создано математическое описание процессов, протекающих при комбинированной обработке и необходимых для проектирования технологических режимов разработанных способов.

4. Установлены закономерности технологического обеспечения высокой точности формообразования и оптимального поверхностного слоя при различных сочетаниях действия на материал электрического поля и механического воздействия с управлением по величине продольной силы.

Практическая значимость.

1. На базе новых способов созданы устройства для различных технологических схем формообразования и формирования поверхностных слоев с требуемыми характеристиками.

2. Созданы новые технологические процессы, использующие механизм удаления припуска и формирования поверхностного слоя по разработанным способам.

3. Разработаны пути управления комбинированным процессом, позволяющие разработать технологические процессы изготовления типовых изделий, работающих при знакопеременных нагрузках в высоконагружен-ных узлах машин.

4. Созданы и защищены патентами новые виды инструмента для реализации разработанных способов.

5. Спрогнозированы пути совершенствования комбинированных технологических процессов, необходимых для создания и выпуска конкурентоспособной продукции машиностроения.

Личный вклад соискателя.

1. Создание новых способов комбинированной обработки и реализации их для типовых изделий, что позволило достичь высокой точности обработки наружных и внутренних поверхностей металлических изделий при управлении процессом формообразования геометрических размеров и

обеспечения требуемых показателей качества поверхностного слоя. Соискатель является ведущим разработчиком 10 способов и 8 устройств, защищенных охранными документами.

2. Разработка концепции протекания механизма комбинированной обработки, устанавливающей связи между динамикой удаления части припуска анодным растворением и получения стабильного слоя материала под деформирование калибрующим элементом с управлением по расчетной величине силы продольной подачи, что позволило отойти от классической схемы труднореализуемой подачи по управляемому сближению электродов к простому и надежному управлению по величине остаточного припуска под калибровку в переменном времени локальной обработки, пропорциональном величине припуска и обрабатываемости каждого участка изделия, что позволило повысить точность обработки без усложнения и удорожания средств технологического оснащения, расширить область механического упрочнения, повысить работоспособность, ресурс и надежность силовых изделий, снизить массу высоконагруженных деталей, что усиливает конкурентоспособность создаваемой продукции машиностроения, особенно авиационно-космической и наземной транспортной техники.

3. Формирование механизма и математическое описание процессов, протекающих в технологическом пространстве между обрабатываемой поверхностью, электродом-инструментом и калибрующим элементом, при управлении динамикой съема припуска и получения требуемого качества поверхностного слоя путем применения единого управляющего воздействия - величины продольной подачи комбинированного инструмента.

4. Научное обоснование предельных возможностей комбинированной электрохимикомеханической обработки по разработанному базовому способу и установление области рационального использования новых способов в машиностроении.

5. Методики проектирования комбинированного технологического процесса, наиболее полно реализующего возможности новых способов и устройств в зависимости от свойств объектов обработки и требований к ним с учетом особенностей реализации этапов жизненного цикла изделий.

6. Новые инструменты и другие средства технологического оснащения (защищены авторскими свидетельствами и патентами) для освоения в производстве предложенных способов комбинированной обработки.

7. Обоснование области использования способов для повышения конкурентоспособности создаваемой продукции машиностроения с учетом современных условий поставки изделий на мировой рынок промышленных изделий.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены на ФГУП НПО «Техномаш», ВМЗ - Филиале ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, ПФК «ВСЗ-Холдинг», ОАО «НИИАСПК», ЗРД КБХА, НПП «Гидротехника», ОАО «КамАЗ» с общим экономическим

эффектом более 3,4 миллионов рублей, а также в учебный процесс ВГТУ, ЛГТУ, ВГАСУ.

Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях и семинарах: всесоюзной научно-технической конференции «Комбинированные электроэро-зионно-электрохимические методы обработки материалов» (Уфа, 1983); семинаре МДНТП «Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов» (Москва, 1983); всесоюзной научно-технической конференции «Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов» (Брянск, 1986); отраслевой конференции «Совершенствование отраслевого производства на основе внедрения передовой технологии и прогрессивного оборудования» (Воронеж, 1987); межотраслевой конференции «Теория и практика ЭХРО в машиностроении» (Казань, 1988); зональной конференции «Математическое обеспечение и автоматическое управление высокопроизводительными процессами механической и физико-химической обработки» (Андропов, 1988); всесоюзной научно-технической конференции «Разработка и промышленная реализация новых механических и физико-химических методов обработки (Обработка-88)» (Москва, 1988); IV Научно-техническом семинаре по неконвенциональным технологиям в машиностроении (АМО-89) (Бо-тевград (Болгария), 1989); совещании АН СССР «Новые процессы получения и обработки металлических материалов» (Воронеж, 1990); международной конференции «INTERTECHNO '90» (Budapest (Венгрия), 1990); республиканской научно-технической конференции «Качество и надежность технологических систем механообработки» (Краматорск, 1991); российской научно-технической конференции «Новые материалы и технология машиностроения. Интенсивные технологии машиностроения в производстве летательных аппаратов» (Москва, 1992); республиканской научно-практической конференции «Ресурсосберегающая технология машиностроения» (Москва, 1993); IV международной конференции «Precisic Surface Finishing and Burr Technology» (Bad Nanheim (Германия), 1996); международной научно-технической конференции «Теория и практика машиностроительного оборудования» (Воронеж, 1996); всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2002); международной конференции «Нетрадиционные методы обработки» (Воронеж, 2002); V региональной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2002); VI региональной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2003); II международной научно-технической конференции «СИНТ-2003» (Воронеж, 2003); III международной конференции «Research and Development in Mechanical Industry» (Serbia and Montenegro, 2003); региональной научно-технической конференции

«Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2006); XI международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе. Технология-2009» (Орел-Taba (Россия-Египет), 2009); международной научно-технической конференции «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении (ТМ-2010)» (Воронеж, 2010); международной научно-технической конференции «Методы отделочно-упрочняюшей и стабилизирующей обработки ППД в технологии изготовления деталей машин, приборов и инструментов» (Ростов-на-Дону, 2010); III всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, 2011); 2011 International Conference on Information Technology for Manufacturing Systems (Shanghai (Китай), 2011); III международной научно-технической конференции «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011)» (Брянск, 2011); VII Miedzynarodowej naukowi-praktyczne konferencji «Perspektywiczne opracowania sa nauka i technikami -2011» (Przemysl (Polska), 2011); международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии» (Липецк, 2012); VIII Mez-inärodni vedecko-praktckä conference «DNY VEDY - 2012» (Praha (Czechia), 2012); международной научно-практической конференции «ССП 2012» (Воронеж, 2012); XV международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии. Технология - 2012» (Орел, 2012); IV международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении (ТМ-2012)» (Рыбинск, 2012); научных семинарах Санкт-Петербургского института машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ), Орловского государственного университета - учебно-научно-производственного комплекса, Саратовского государственного технического университета, а также научных конференциях профессорского и педагогического состава ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Результаты работы неоднократно экспонировались на ВДНХ СССР, где были отмечены бронзовой медалью (1986 г.), двумя серебряными медалями (1990 и 1991 гг.) и Дипломом 1 степени (1991 г.).

Публикации. Общий объем публикаций по теме работы составляет свыше 115 печ. л., из них соискателю принадлежит свыше 49 печ. л. По теме диссертации опубликовано 76 научных работ, в том числе 20 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также 1 монография и 6 учебных пособий, получено 12 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 78, 80] - сформулирована модель процесса; [5, 45-47, 49, 51, 52, 64] - обоснованы режимы технологического процесса обработки; [8, 69, 77, 79] - обоснованы области и пер-

спективы использования комбинированных методов обработки; [12, 50, 56]

- предложена методика обеспечения качества поверхностного слоя; [17, 88]

- предложена структура технологического процесса обработки; [19] -обоснованы режимы стабилизации; [20] - разделы, посвященные методам электрохимикомеханической обработки; [21, 24, 25] - разделы, посвященные проектированию комбинированных методов обработки; [22, 23] - разделы, посвященные проектированию электрохимических методов обработки; [27-38, 48, 53, 54, 58, 59, 70] - предложены новые способы и устройства для комбинированной обработки; [39, 40, 41, 43, 60, 63, 68, 74, 76] - предложен механизм формирования поверхностного слоя при комбинированной обработке; [42, 62, 67] - предложена методика проектирования средств технологического оснащения электрохимикомеханической обработки; [55, 57, 61, 73, 75] - разработана структура управления качеством при комбинированной обработке; [71] - разработан алгоритм автоматизированных расчетов; [66, 72] - проведен анализ возможностей способа комбинированной обработки.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из шести глав, введения, заключения и общих выводов, списка литературы, включающего 318 наименований, и приложений. Основная часть работы изложена на 304 страницах, содержит 116 рисунков и 36 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе рассмотрены работы по теме диссертации, выполненные в стране и за рубежом. Показано, что по направлению исследования имеются публикации научных школ Братска, Брянска, Воронежа, Казани, Санкт-Петербурга, Москвы, Перми, Ростова-на-Дону, Самары, Тулы, Уфы, Челябинска и др., а также ученых Великобритании, Болгарии, Польши, США, Чехии, Швейцарии, Японии и других стран.

Анализ выполненных работ показал, что решение проблемы обеспечения точности и эксплуатационной надежности при длительных испытаниях не дало ожидаемого результата. Достижения в области электрохимической размерной обработки (ЭХРО) позволили обеспечить размерную обработку металлических материалов, но при этом не дают возможности получения требуемой усталостной прочности. Механическое упрочнение обеспечивает рост усталостной прочности, но значительный разброс результатов не дает возможности использовать в нагруженных конструкциях весь ресурс материалов.

Проведенные нами исследования на внутренней поверхности высокоресурсных изделий послужили базой для создания принципиально нового способа комбинированной обработки, объединяющего достоинства ЭХРО и ударного упрочнения. Развитие нового способа управления процессом позволяет охватить проблему повышения точности обработки и достижения предельной усталостной прочности при длительных знакопеременных нагружениях для силовых деталей перспективной техники.

Однако ранее выполненные исследования показали лишь принципиальную возможность достижения такой цели. В доступных публикациях не было обнаружено материалов по механизму и моделированию процесса комбинированной обработки, без чего невозможно было создать технологию изготовления высокоресурсных изделий с одновременным обеспечением требуемых технологических и эксплуатационных показателей перспективных изделий. Отсутствие таких исследований не позволяло обобщить результаты комбинированных методов обработки и научно обосновать область их эффективного применения.

В главе показано, что существующие методы и технологии обраЬот-ки не всегда отвечают современным требованиям производства. Ни один из имеющихся традиционных и комбинированных методов обработки не соответствует в полной мере требованиям современной технологии, в частности не обеспечивает получения требуемой точности и гарантированного наклепа оптимальной величины для достижения высокой усталостной

прочности изделий.

Анализ имеющегося состояния вопроса дал возможность сформулировать цель и задачи исследований, приведенные во введении.

Во второй главе показаны пути решения поставленных задач и достижения поставленной цели, обоснована научная гипотеза.

Исследования механизма комбинированной обработки базировались на рабочей гипотезе соискателя, согласно которой достижение заданного качества поверхности высокой точности формообразования возможно при взаимном регулировании процесса анодного растворения постоянной силои калибрующего деформирования и достижения стабильной исходной поверхности под наклеп за счет анодного растворения на глубину, превышающую глубину залегания остаточных напряжений. Развитие этой гипотезы позволило создать новые способы обработки и средства для их реализации защищенные 12 охранными документами СССР и РФ.

Схема, реализующая способ электрохимикомеханической обработки комбинированным электродом-инструментом, приведена на рис. 1.

Принципиально новый подход заключается в том, что вместо заданной величины скорости перемещения комбинированного инструмента используется расчетная сила, позволяющая за счет электрохимической составляющей способа гарантировать припуск под калибрующий элемент, обеспечивающий стабильный наклеп поверхностного слоя.

13 3 6 9 1 V 7 * 12 5

Рис. 1. Схема электро-химикомеханической обработки каналов: 1 — рабочая часть; 2 — калибрующий элемент; 3, 4 -передний и задний направляющие элементы; 5, 6, 7 - отверстия и пазы для прохода электролита; 8 - тяга; 9 - диафрагма; 10 - упругий элемент; 11 -шток; 12 - диэлектрическая прокладка; 13 -токоподвод

Как показано на рис. 1, съем металла анодным растворением до требуемой границы управляется калибрующим элементом по силе сопротивления этому элементу вдоль направления подачи, и окончание электрохимической обработки возможно только после того, как будет удален припуск независимо от его начальной величины. Это позволяет максимально приблизиться к номинальному значению размера и обеспечить высокую точность. В то же время продольное перемещение комбинированного электрода-инструмента возможно при стабильном припуске под упрочнение, что обеспечивает наклеп близкий к предельному значению усталостной прочности материала.

Частный пример реализации предложенного способа комбинированной электрохимикомеханической обработки (ЭХМО) каналов получил дальнейшее развитие для наружных и внутренних поверхностей произвольной формы, а также в новых конструкциях средств технологического оснащения. Эти новые технические решения приведены в диссертации.

В главе рассмотрены экспериментальные установки, послужившие основой для создания серийного оборудования, часть которого вошла в базовый каталог станков. Для проведения экспериментов и испытаний использовалось уникальное оборудование научно-исследовательских центров и предприятий авиационной, космической и оборонной отраслей.

В качестве образцов для испытаний и подтверждения теоретических результатов использовались стандартные и специальные детали из типовых материалов, большая часть которых нашла применение в авиакосмической и оборонной отраслях, где требования к качеству, надежности и долговечности деталей оговорены стандартами и отвечают создаваемым перспективным конструкциям новых поколений.

Для достижения поставленной цели и решения задач исследований разработан алгоритм выполнения работы, приведенный в диссертационной работе. Алгоритм включает разработку механизма получения заданных технологических и эксплуатационных показателей на базе запатентованных способов, моделирование процесса с выходом на различные технологические приложения, охватывающие наружные и внутренние поверхности и элементы с различной доступностью инструмента, создание доказательной

базы для реализации способа по различным вариантам обработки, значительная часть которых получена с участием соискателя. Это значительно расширило практическое приложение научных результатов и позволило охватить проблему получения надежных конструкций наукоемких изделий, работающих в условиях высоко- и знакопеременных нагружений.

На базе предложенного механизма созданы основы управления процессом, методики расчета и построения технологического процесса ЭХМО для типовых случаев реализации способов. Обоснованы направления применения полученных материалов с учетом создания перспективных изделий новых направлений техники.

Таким образом, разработанная рабочая гипотеза позволила сформировать требования к новым способам и устройствам для комбинированной ЭХМО поверхностей различного профиля с гарантированным обеспечением требуемых эксплуатационных показателей. Предложенные новые способы и устройства позволили создать научную базу для разработки нового метода обработки и его реализации. Разработанные конструкции экспериментальных установок, инструментов и средств технологического оснащения позволили выполнить комплекс исследований по отработке режимных параметров различных схем комбинированной обработки, послужившие основой для проектирования технологических процессов ЭХМО деталей различных видов. Выполнен анализ результатов усталостных испытаний с упрочнением. Установлено, что усталостные характеристики сплавов во всех случаях возрастают после упрочнения. Обосновано применение комбинированной ЭХМО, что позволяет рекомендовать ее взамен процессов механической и упрочняющей обработки.

В третьей главе сформирован механизм формирования поверхностного слоя с требуемыми свойствами. Нами предложен критерий, характеризующий правомерность использования исследуемого способа комбинированной обработки:

2упр < ^тах >

где 2уПр - припуск под упрочнение при комбинированной обработке;

//тах - предельное смещение в зоне контакта.

На базе физической модели, основные положения которой раскрыты во второй главе диссертации, выполнено моделирование самого процесса, что позволило получить аналитические и имитационные зависимости, необходимые для построения технологического процесса.

Установлена расчетная величина припуска под упрочнение, позволяющая гарантировать наклеп поверхности, обеспечивающий усталостную прочность теоретически возможно близкую к предельному показателю исследуемого материала:

-упр

2£//1п - (1 - 1п 5 + 21п-)(1 - 1п - + 21п V

5 5 2 5

(1 + 1п-

100А

(1)

где е - степень деформации в радиальном направлении,

а га

Н{2 - 1п 5--) (1-1п---)

Сто Я

а

Я(2-1п—--)

г а

ь

где а - интенсивность напряжений на рассматриваемой / глубине;

(Т5 - предел пластичности материала заготовки; г - текущий радиус в направлении действия силы калибровки; Я - приведенный радиус кривизны, /? = (— + ——,

где /?], - радиусы кривизны контактирующих тел; Н - радиальное упругое перемещение границы контакта заготовки и калибрующего элемента,

ч2

Н

-Я-

=

Е 1 + 5(л-1)(аЯ)

где р - мера отклонения упругости контактных тел,

Р = -

(1 + А1)(1-2^) (И-//2)(1-2//2) Е\ Е2

*

Е - приведенный модуль упругости контактных тел (1 и 2),

где ц\,И2 ~ коэффициенты Пуассона для контактирующих тел;

I 61п$

|л4(5-1)3(5 + 1)

:упр

и„ - степень оптимального наклепа;

ЯВо - твердость материала заготовки в ненаклепанном состоянии; А,п - эмпирические коэффициенты. Получена зависимость для расчета продольной силы

2 = Ьрк1к (а + цт), (2)

где Ь - ширина зоны контакта (для каналов - периметр отверстия); рк - контактное давление при величине гупр, обеспечивающего

оптимальную величину наклепа ({/„); 1К - длина зоны контакта (длина калибрующего элемента); а - угол заборного конуса калибрующего элемента; рт - коэффициент внешнего трения калибрующего элемента при перемещении вдоль зоны обработки,

2,4г(1-//2) . я , ДяЛ/2

=-£-\1^р+Р + 0аагж{ 2) '

агис

где Г - фрикционный параметр, г --— ;

\2Ri\-fi )

ИСр - средняя высота неровностей контактных тел;

агис ~ коэффициент гистерезисных потерь материала, зависит от марки материала: для стали - 0,02, алюминиевых сплавов - 0,03, меди и медных сплавов - 0,04.

Для управления процессом анодного удаления припуска дана зависимость для нахождения основного времени

^э(гэ + 2д0) | ЬРЭ (3)

0 гпахаи-Ш) Уср '

где у - плотность материала заготовки; 7 - выход по току;

а - электрохимический эквивалент материала заготовки;

X - удельная проводимость рабочей среды;

II - напряжение на электродах;

ДI! - потери напряжения;

ЬрЭ - длина рабочей части электрода;

\'Ср - средняя скорость подачи инструмента.

Был проведен комплекс исследований для подтверждения полученных зависимостей электрохимикомеханического формообразования наружных и внутренних поверхностей с использованием защищенных способов комбинированной обработки.

Оптимальная усталостная прочность, получаемая наклепом должна соответствовать величине максимальной усталостной прочности (2-5)-107 циклов. На рис. 2 приведены рекомендуемые показатели наклепа, полученного в процессе комбинированной ЭХМО (индекс А), относительно тех же показателей, полученных при виброударном упрочнении (индекс Б). Штриховкой обозначены области рассеивания результатов измерений. При обычном упрочнении жаропрочных материалов (рис. 2, индекс 1,Б) наблюдается значительный перенаклеп поверхностного слоя, что снижает эффективность операции при обработке деталей из таких материалов. Нами установлено, что рассеивание результатов за счет погрешности метода не должно превышать по наклепу ± 1 %. Для всех рассматриваемых материалов рассеивание показателей наклепа практически укладывается в этот результат (рис. 2). Для конструкционных сталей (индекс 2) показатели наклепа для ЭХМО и виброударного упрочнения достаточно близки, что подтверждается данными, приведенными в работах А.П. Бабичева.

По исследованиям A.M. Сулимы при обработке титановых сплавов виброударным методом (индекс 3,Б) получают «сильный» неуправляемый наклеп с рассеиванием результатов около 5 %. Наши исследования указывают на необходимость получения наклепа для титановых сплавов в пределах 5-6 % (индекс 3,А). Изучение результатов исследований A.M. Сулимы, показало, что часть приведенных в ней результатов для титановых сплавов попадает в рекомендованный нами диапазон наклепа и именно такие образцы при испытаниях показали наибольшую усталостную прочность. Практически аналогичная картина наблюдается и для алюминиевых сплавов (индекс 4,А).

Исследование поверхностного слоя показало, что во всех случаях имеет место повышенный наклеп, глубина которого для стали 40ХНМА может достигать нескольких мм. На рис. 3 показано влияние на глубину зоны повышенного наклепа различных методов упрочнения и схем комбинированной обработки. Индекс 1 (рис. 3) характеризирует базовый вариант наружной обработки методом накатки роликом; индекс 2 - обработку внутренних поверхностей по схеме протягивания; индекс 3 - наружных поверхностей по схеме динамической обработки.

Как следует из рис. 3, все случаи упрочнения без наложения электрического поля дают наклеп с очень значительным рассеиванием результатов (до 10 раз). Особенно значительные расхождения имеют место при схеме протягивания дорном (рис. 3, индекс 2,А), что подтверждается результатами, приведенными рис. 2.

01 СМ ох

и Г

/ 2 3 (

Рис. 2. Оптимальные показатели наклепа, обеспечивающие наибольшие показатели по усталостной прочности сплавов при ЭХ-МО: 1 — жаропрочные сплавы; 2 -конструкционные стали; 3 - титановые сплавы; 4 - алюминиевые сплавы; А - требуемый наклеп с учетом рассеивания результатов; Б — наклеп при виброударном упрочнении

/ 2 3

Рис. 3. Глубина (мм) зоны повышенного наклепа (материал сталь 40ХНМА): 1 — наружная обработка роликом; 2 - схема протягивания; 3 - динамическая обработка; А - без наложения электрического поля; Б — с наложением поля; В -по схеме ЭХМО; Г - оптимальная глубина наклепа (расчет)

Наложение электрического тока при удалении припуска анодным растворением практически снимает наклеп, и это позволяет получить по предложенной схеме глубину наклепа, соответствующую оптимальному значению (рис. 2). Таким образом, по расчетной величине припуска на упрочнение (1) можно получать оптимальный наклеп с рассеиванием результата менее ± 1 %.

Сравнение показателей поверхностного слоя по шероховатости , полученных при накатке наружных поверхностей роликом, обработке внутренних поверхностей по схеме протягивания и наружных поверхностей по схеме динамической обработки показало, что показатель шероховатости поверхности после механического упрочнения имеет весьма значительное рассеивание. Наложение электрического поля во всех случаях значительно сглаживает показатели шероховатости и дает возможность получать величину , соответствующую чистовому шлифованию. Это позволяет рекомендовать предлагаемый способ ЭХМО в качестве чистовой и финишной операции.

С учетом оптимальной глубины наклепа точных изделий (см. рис. 3) и достижимой усталостной прочности (см. рис. 2) была оценена требуемая сила продольного перемещения, приведенная на рис. 4. Исследования, выполненные на конструкционной стали 45 и титановом сплаве ВТ 5, показали, что экспериментальные зависимости близки к линейным, т.е. к расчетным величинам. Выпадение крайних точек кривых 1 и 2 (рис. 4) может

а. н !хто /

200 300 изо хю

тл

Рис. 4. Сила продольного перемещения в зависимости от

•Л:.

/ /

3 /

2

0 0

припуска 1у„р. \ - сталь конструкционная; 2 - титановый сплав ВТ5

Рис. 5. Величина погрешности Д3 при анодном удалении припуска хупр по схеме ЭХМ обработки конструкционных сталей: 1 - наружная поверхность; 2 - канал постоянного сечения; 3 - канал переменного профиля

быть объяснено погрешностью измерений, вызванных нестабильностью механических свойств образцов. В целом материалы, приведенные на рис. 4, достаточно убедительно подтверждают результаты моделирования предложенного способа комбинированной ЭХМО, что дает основание рекомендовать зависимость (2) в качестве технологического режима при построении технологии ЭХМО.

На рис. 5 показано, как изменяется величина погрешности при изменении припуска на упрочнение для различных обрабатываемых поверхностей. Наименьшей погрешности можно достичь (рис. 5, кривая 2) при обработке внутренних поверхностей постоянного сечения, что объясняется стабильной жесткостью технологической системы в виде замкнутой силовой схемы канала и расчетного наружного размера калибрующего элемента.

В канале переменного профиля используется калибрующий элемент переменного сечения, что снижает жесткость системы и приводит к увеличению погрешности в несколько раз. Это однозначно подтверждает положение механизма и модели, где указывалось на возможность получения высокой точности профиля по предложенной схеме. Установлено, что стабильность показателей по длине обработки практически сохраняется как для наружных, так и внутренних поверхностей. Причем погрешность наружной поверхности до 1,5 раз выше, чем внутренней, что еще раз подтверждает правомерность выводов по рис. 5. Проведены исследования по оценке геометрической погрешности различных материалов, результаты которых представлены на рис. 6.

Все исследования, проведенные для подтверждения механизма и предложенных способов обработки, выполнялись на образцах, изготовленных из одной партии материала со стабильными механическими свойствами, что позволило получить более выигрышные результаты исследований. На практике в производстве материалы имеют широкий разброс механиче-

Рис. 6. Достижимая точность (мкм) электрохимикомеханической обработки конструкционных сталей (1), жаропрочных материалов (2), титановых сплавов (3), алюминиевых сплавов (4); А - наружная поверхность; Б - внутренняя поверхность

ских свойств и геометрических размеров. Поэтому рекомендации по точности обработки (глава 4) даны с учетом этих показателей и имеют величину большую, чем полученную на образцах, что было учтено при оценке точности обработки.

Таким образом, впервые раскрыт механизм управления комбинированным процессом ЭХМО, связывающий управляемый наклеп поверхности произвольной формы с электрохимическим размерным формообразованием точной поверхности и формализацией прямых и обратных связей между требуемым для достижения предельной величины наклепом и динамическими характеристиками инструмента, обеспечиваемыми постоянной осевой силой упрочняющего элемента. На базе установленных связей между механическим наклепом и электрохимическим съемом материала разработаны новые (ранее неизвестные) способы ЭХМО, позволившие спроектировать новые инструменты, обеспечивающие высокую точность и стабильный наклеп, требуемый для повышения усталостной прочности изделий, в том числе авиакосмического профиля. Предложены научные основы расширения разработанных способов на наружные и внутренние поверхности металлических деталей различного профиля, что позволило перейти от использования созданных способов на решение проблемы повышения надежности и технологических показателей типовых деталей изделий различного назначения. Проведенный комплекс исследований подтвердил правомерность предложенного механизма. Разработанные способы и инструменты дают возможность достичь точности и наклепа, отвечающих требованиям разработчиков нового поколения транспортных машин с высокими эксплуатационными показателями.

В четвертой главе рассмотрены пути повышения требуемых технологических и эксплуатационных показателей.

Предельная погрешность получаемой геометрической формы зависит не только от возможностей ЭХМО, но и от отклонений, вызванных всей системой СПИД, и свойств обрабатываемых материалов. Для проектируемых технологических процессов необходимо поставить граничные условия по установлению точности с учетом погрешностей, возникающих при обработке предложенным способом.

В общем случае в поперечном сечении величину суммарной погрешности Д(9 с учетом характера распределения составляющих можно определить по зависимости:

£ А Б А В

1 2 3

А« = ^ + 32нв + ¿¿„1р + ¿1 + 3(<5Г)2 + дгф + Дф, (4)

где — поле рассеяния размеров отверстий после обработки;

<5//д - поле рассеяния твердости обрабатываемого материала;

8г - поле рассеяния натягов на калибрующем элементе;

^Ка ~ поле рассеяния размеров, вследствие изменения коэффициента осевых напряжений;

8Т - погрешность, обусловленная изменением тепловых деформаций заготовки при колебании температуры нагрева;

8ф - предельные отклонения формы отверстия;

Дф - отклонения от круглости отверстия.

К погрешностям размеров отверстий в поперечных сечениях заготовки относятся 8$ , ¿>//д , ¿>2 > &Ксг ■ Сравнение абсолютных значений этих погрешностей показывает, что наибольшие значения отклонений размеров отверстий связаны с действием двух факторов - нестабильностью исходных свойств материала заготовки и непостоянством натягов дорнова-ния 8у . Причем величина погрешности может достигать существенных значений, т.к. рассеяние твердости вследствие технологической наследственности может достигать 30-40 % от ее среднего значения. Это обстоятельство требует при обработке высокоточных деталей введения дополнительных термических операций с целью выравнивания механических свойств заготовок. Предшествующая ЭХРО по предлагаемому комбинированному способу позволяет снизить величины этих погрешностей и повысить точность обработки в целом. Так, погрешность 8цц, обусловленная неоднородностью механических свойств, может быть практически сведена к нулю при условии, что величина припуска, удаленного электрохимическим методом, больше глубины залегания остаточных напряжений.

Повышение исходной точности канала перед калиброванием приводит к прогрессивному улучшению точности обработанного отверстия, т.к. создаются предпосылки стабилизации натяга на калибрующем элементе и сужения поля рассеяния натягов 87 , определяемых полем допуска отверстия, обработанного электрохимическим методом.

В работе даны примеры сравнения погрешностей по зависимости (4) с экспериментальными результатами применительно к трубам постоянного диаметра. Сходимость расчетных и экспериментальных результатов оказалась в пределах одного квалитета точности.

Для оценки эксплуатационных характеристик материала в работе исследованы остаточные напряжения в типовых сплавах, которые показали, что при расчетной величине наклепа в поверхностном слое формируются только сжимающие напряжения.

В главе приведены рекомендации по назначению режимов ЭХРО с учетом принятой базовой величины припуска под упрочнение для основных видов материалов, используемых в промышленности. Обобщены результаты ранее выполненных исследований, в т.ч^ с участием автора, по анализу эксплуатационных свойств типовых деталей.

Таким образом, приведенные в главе материалы показали, что возможно определить технологические режимы, позволяющие получить требуемые эксплуатационные характеристики, заложенные в изделии, что дает возможность использования полученного механизма для разработки технологических процессов изготовления деталей различной формы с учетом требований к наукоемким изделиям, в частности, авиационно-космической отрасли. Проведенный анализ первичных погрешностей, возникающих в процессе обработки внутренних поверхностей, показал, что при ЭХМО создаются реальные условия повышения точности за счет существенного снижения значений отдельных составляющих. Экспериментальные исследования подтвердили возможность повышения точности обработки. Это обстоятельство позволяет рекомендовать процесс для обработки высокоточных внутренних поверхностей с погрешностью не выше 7 квалитета. Оценено качество поверхностного слоя после комбинированной обработки. Выявлено наличие измененного поверхностного слоя, что подтверждается результатами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, измерением микротвердости и осевых остаточных напряжений. Установлено что полученная структура поверхности обеспечивает высокие механические показатели, особенно необходимые для деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок. Подтверждена возможность использования комбинированного процесса для обработки точных каналов с гарантированным наклепом. Стабильность получения заданного наклепа составила ± 1 %- Это позволяет существенно повысить предел выносливости по сравнению с электрохимической обработкой и рекомендовать комбинированную обработку взамен операций механической обработки. Проведены испытания типовых деталей по стандартным методикам, подтвердившие установленные закономерности предложенных способов ЭХМО, что позволяет перейти к созданию технологических процессов с использованием

разработанных способов.

В пятой главе предложена методика проектирования технологических процессов для ЭХМО.

Для расширения области использования предложенных способов разработаны рекомендации по повышению технологичности изделий, перспективных для обработки. Это позволило достичь лучших технико-экономических показателей и разработать рекомендации по применению ЭХМО, что сделано впервые. Приведены методики расчета и конструкции инструмента для типовых деталей, обрабатываемых ЭХМО.

Определены основные параметры электрохимикомеханического процесса с учетом критерия массовыноса, приведенного в ранее выполненных работах. Установлены закономерности и режимные параметры для реализации способов для обработки труднодоступных мест с помощью несвязанных токопроводящих гранул и нежесткого проволочного инструмента. Это позволило впервые разработать методику комбинированной обработки с управлением наклепом поверхности по созданным способам электрохимикомеханического формообразования.

Для использования предложенных способов при наклепе несвязанными гранулами были установлены временные характеристики, позволяющие оптимизировать технологические режимы труднообрабатываемых поверхностей. В качестве режимного параметра можно использовать сочетание давления воздуха форсунки и времени протекания процесса. Изменение давления от 0,5 МПа до 1,2 МПа позволяет, не изменяя времени обработки (режимный параметр), обрабатывать детали с удалением от сопла от 1,2 до 6-7 мм, т.е. стабилизировать время обработки для получения требуемого наклепа поверхностей, имеющих значительный разброс геометрических размеров заготовки в пределах допуска. На рис. 7 показано изменение времени оптимального наклепа стали 40ХНМА путем использования гранул различного диаметра. Как следует из рис. 7, применяя различные гранулы, можно значительно расширить временные показатели процесса с сохранением стабильного требуемого наклепа. Кроме того, создаются предпосылки, которые позволяют управлять процессом получения оптимального наклепа за счет изменения размеров несвязанного инструмента в виде гранул, а также рассчитать рабочую смесь путем сочетания гранул различных размеров.

Таким образом, для типовых поверхностей деталей машин определены основные технологические схемы обработки, реализующие предложенный механизм получения требуемых эксплуатационных свойств, и средства технологического оснащения, позволяющие осуществить процессы комбинированной ЭХМО, реализующие технологические решения, защищенные авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ. Расширена область использования запатентованных способов на разновидности ЭХМО, вклю-

Сглеть ноклет %

Рис. 7. Изменение степени

наклепа динамическим методом от времени обработки: 1 - гранулы диаметром 8 мм; 2 - гранулы диаметром 10 мм; расстояние до объекта — 5мм; давление воздуха - 0,7 МПа; гранулы из стали ШХ15 с НЯС 62-65

чающих обработку несвязанными гранулами и гибким инструментом. Рассмотрены вопросы приложения и исследования технологических методов формообразования различных поверхностей, которые характеризуются тем, что анодное растворение на этапе электрохимического воздействия позволяет удалять нежелательные наследственные явления от предшествующих технологических операций, при этом окончательное формирование заданного качества поверхностного слоя осуществляется на конечных стадиях процессов на расчетных режимах. Для типовых схем рассмотрены факго-Ры влияющие на состояние обработанной поверхности, и созданы расчетный зависимости по определению основных режимных параметров, позволяющие управлять процессом комбинированной обработки с целью обеспечения заданных параметров точности и эксплуатационных характеристик поверхностного слоя Разработаны методики проектирования технологии ЭХМО учитывающие технологические особенности и механизмы управления процессами, позволяющие получать поверхности с заданными физико-механическими свойствами.

В шестой главе приведена эффективность реализации метода для типовых деталей и показаны перспективные направления дальнейших исследований и предложенных способов изготовления наукоемких изделии^

Дано обоснование использования новых способов ЭХМО внутренних поверхностей. Разработанная технология внедрена « промышленное производство Воронежского механического завода - филиала ФГУП ГКНПЦ им М.В. Хруничева при обработке глубоких отверстии валов верхнего и нижнего главного редуктора ВР 226 несущих винтов вертолета Ка-226, изготовленных из стали 40ХН2МА-Ш. На обработанных поверхностях рисок, царапин и других макродефектов не наблюдалось что без сомнения, благоприятно сказалось на повышении показателей прочности Процесс стабильно обеспечивал требуемую точность и шероховатость внутренней поверхности, а также заданный наклеп поверхностного слоя, гарантированно обеспечивающий требуемые эксплуатационные показатели Внедрение технологии комбинированной обработки позволило исключить из существующего на заводе технологического процесса такие малопроизводительные операции, как черновое и чистовое растачивание и раскатывание. Трудоемкость изготовления валов была снижена до 2 раз, экономический эффект составил более 400 тыс. руб.

Новая технология позволила подобные результаты получить и при внедрении на Воронежском станкостроительном заводе-Холдинге процесса ЭХМО глубоких отверстий при ремонте гильз плоскошлифовального станка модели ЗД725 из стали 40ХНМА. В результате были обеспечены требуемые размеры для ремкомплекта и параметры поверхностного слоя внутренних поверхностей. Внедрение комбинированного процесса позволило снизить трудозатраты при ремонте и получить экономическии эффект более 280 тыс. руб.

По схеме ЭХМО несвязанными гранулами обрабатывались штампованные заготовки лопаток двигателей из титанового сплава ВТ8 с припуском по перу . Необходимая форма поверхности и размеры детали

получались в результате движения электродов-инструментов, выполненных из нержавеющей стали и имеющих форму эквидистантную окончательно обработанной поверхности детали. Обработка осуществлялась на следующих режимах: рабочее напряжение - 9 В; рабочий ток - 880 А; характер рабочего тока - импульсный; состав электролита - 7,5% KN03 + 9% NaCl + вода; температура электролита - 293-298 К; давление электролита - 0,40,425 МПа; межэлектродный зазор - 0,05-0,1 мм; усилие обкатывания -5000 Н; время обработки - 13-14 мин. Проведенные исследования показали возможность достижения высокой точности (точность по профилю пера обрабатываемых лопаток ±0,03 мм) и высокого качества поверхности. Шероховатость поверхности составила Ra = 0,6-1,2 мкм. В поверхностном слое сформировались остаточные напряжения сжатия до 550 МПа, их максимум находился на глубине 20-40 мкм.

Установлено, что предложенный способ комбинированной обработки обеспечивает устойчивую точность, до 3 раз сокращает цикл изготовления лопаток за счет исключения ручной доводки при формировании геометрии профиля и до 3-4 раз снижает их себестоимость. Лопатки, изготовленные по данной технологии, позволяют обеспечить расчетный коэффициент газодинамической устойчивости и КПД двигателя.

Применение струйного метода с использованием твердого токопро-водящего наполнителя весьма эффективно при обеспечении гарантированных показателей качества поверхностного слоя при размерной обработке локальных участков поверхности сложнопрофильных деталей (корпусов турбонасосных агрегатов, центробежных компрессоров, панелей, деталей с полостями и др.). Осуществлена обработка каналов крыльчаток на следующих режимах: скорость подачи рабочей смеси с металлическими гранулами составляла 10 м/с, расстояние от сопла до заготовки составляло 100 мм, напряжение на электродах - 80 В. В результате обеспечен наклеп на глубине 0,1-0,15 мм при шероховатости поверхности Ra = 0,63-2,5 мкм,

что позволило повысить ресурс детали на 15-20 %.

Рассмотрено использование способа комбинированной обработки для маркирования деталей с наклепом поверхностного слоя, что позволило локализовать и получить стандартную информацию. В работе обоснована возможность применения предложенного метода для получения остаточного наклепа в границах, гарантирующих сохранение усталостной прочности маркированных деталей.

Показаны области и перспективы применения предложенных схем ЭХМО (таблица).

Объект обработки Достигнутые результаты Направления дальнейших исследований

Поверхности Типовые детали

Гладкие внутренние Трубы трансмиссий постоянного сечения; ствольные системы Точность 7-8 квалитета; повышение долговечности на 6-7 % Совершенствование метода ЭХМО

Сложнофасонные внутренние; некруглые каналы с постоянным и переменным параметрами; ступенчатые каналы Валы трансмиссий; металлические пустотелые лонжероны и др. Погрешность - 0,3-0,5 мм; ресурс - 500 час. Освоение нежестких калибрующих элементов

Гладкие наружные Кронштейны, угольники; корпусные детали и др. Погрешность - 0,3-0,5 мм; нестабильность наклепа 1:2 Создание средств технологического оснащения для ЭХМО

Фасонные наружные Лопатки; роторы и статоры осевых и радиальных машин и др. Нестабильность наклепа 1:3; нестабильность геометрических размеров Исследование процесса ЭХМО с учетом геометрии обрабатываемых деталей

Анализ таблицы показывает, что разработанные способы могут способствовать решению проблемы повышения качества и надежности наукоемких изделий, что дает возможность проектировать и изготавливать изделия нового поколения в машиностроении. Это правомерно для различных отраслей машиностроения, включая авиационную и космическую отрасли. Опыт прошлого периода развития машиностроения показывает, что технологические достижения комбинированных методов обработки в областях авиакосмической и оборонной промышленности являлись двигателем развития всего машиностроения. Поэтому приведенные в работе материалы будут способствовать проблеме разработки и изготовления конкурентоспособной техники.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Решена научная проблема обоснования и создания новых электро-химикомеханических способов обработки по ранее не используемому силовому воздействию вдоль зоны обработки с постоянной силой, раскрытия механизма и закономерностей достижения требуемых технологических показателей, обеспечивающих получение высокоточных изделий с повышенными эксплуатационными показателями по ресурсу и надежности при работе в условиях многоцикловых интенсивных нагружений, и создана научная база для расширения области использования комбинированных процессов при освоении конкурентоспособной продукции машиностроения.

Выводы

1. Обоснована структурная схема и созданы новые (на уровне изобретений) способы электрохимикомеханической обработки, позволяющие обеспечить высокую точность профиля и наклеп поверхностного слоя наружных и внутренних частей металлических изделий с управлением процессом обработки по величине продольной силы, прикладываемой к комбинированному инструменту в форме электрода и калибрующего элемента.

2. Научно обоснован механизм достижения высокой точности формообразования и формирования высококачественного поверхностного слоя путем предварительного анодного удаления основного припуска и калибровки поверхности с образованием оптимального наклепа, обеспечивающего повышенные эксплуатационные показатели изделий.

3. Разработаны технологические режимы и процессы обработки типовых поверхностей металлических деталей с базированием на предложенном способе. В отличие от известных в новых способах одним из основных параметров режима является сила продольного перемещения комбинированного инструмента или расчетная энергия соударения несвязанных рабочих сред. С этой целью разработан новый вид гранул (имеется патент) с изменяемой удельной массой, позволяющий обеспечить требуемый наклеп в различных материалах и в труднодоступных для инструмента участках деталей из металлов.

4. Разработаны новые виды инструментов и других средств технологического оснащения (получены патенты) для реализации предложенных способов, что позволило создать новые технологические процессы, обеспечивающие повышенную на 2-3 квалитета точность геометрического профиля и наклеп поверхностного слоя, гарантирующий увеличение до 10-15% предела усталостной прочности при многоцикловых нагрузках изделий без увеличения их размеров и массы, что дает большие преимущества для вновь создаваемых объектов производства транспортной техники, в том числе авиационно-космических средств, и позволяет усилить конкурентоспособность промышленной продукции на мировом рынке.

5. Разработаны алгоритмы и методы автоматизации процессов получения требуемых показателей обрабатываемых деталей по спроектированным технологическим процессам, что позволило достигнуть стабильных технологических показателей при комбинированной обработке деталей различного профиля. Так при автоматизированном управлении получением наклепа нестабильность его оптимального значения не превышает ± 0,5%, в то время как при других способах обработки эта величина может превышать 6-7%, что снижает предел усталостной прочности относительно предельно достижимого до 10%.

6. Исследованы технологические возможности разработанных способов, показавшие резерв повышения точности наружных и внутренних

поверхностей деталей до достижения 6-8 квалитета и снижения диапазона рассеивания величины наклепа на порядок и более, что гарантирует достаточно полное использование резерва усталостной прочности материала высокоресурсных изделий, особенно транспортной техники.

7. Обоснованы пути использования новых способов, их приложений для типовых деталей изделий различного назначения и показаны возможности эффективного применения способов и средств технологического обеспечения во вновь разрабатываемых и осваиваемых в производстве конкурентоспособных изделий авиационно-космической и других отраслей транспортной техники, оборудования нефтегазового назначения. Получен реальный экономический эффект от применения разработанных технологических процессов на предприятиях машиностроения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Расчет режимов обработки полостей несвязанными гранулами / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Г.С. Розаренов, A.B. Кузовкин // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1997. № 1. С. 58-61.

2. Болдырев А.И. Обеспечение точности внутренних поверхностей электрохимикомеханической обработкой / А.И. Болдырев // Известия ОрелГТУ. 2008. № 4-4/272(550). С. 26-30.

3. Болдырев А.И. Обеспечение заданного качества поверхностного слоя каналов комбинированной обработкой / А.И. Болдырев // Известия ОрелГТУ. 2009. № 2-3/274(560). С. 59-63.

4. Болдырев А.И. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя при комбинированной обработке в электролите с наполнителем / А.И. Болдырев // Известия ОрелГТУ. 2009. № 3/275(560). С. 63-66.

5. Печагин А.П. Режимы технологического процесса циклового воздействия на внутренние напряжения сварных и литых заготовок / А.П. Печагин, А.И. Болдырев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. №11. С. 88-90.

6. Болдырев А.И. Инженерия поверхностного слоя изделий при электрохимической и комбинированной обработке / А.И. Болдырев // Вестник Донского ГТУ. 2009. Т. 9. № 4(43). С. 627-635.

7. Болдырев А.И. Моделирование процесса комбинированной электрохимикомеханической обработки / А.И. Болдырев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 2. С. 141-145.

8. Болдырев А.И. Комбинированные методы формирования поверхностей каналов в труднообрабатываемых материалах / А.И. Болдырев,

Г.А. Сухочев II Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2010. № 5-2 (283). С. 13-20.

9. Болдырев А.И. Достижение заданного качества материала управлением технологическими условиями комбинированной обработки / А.И. Болдырев // Вестник Саратовского ГТУ. 2010. № 3 (46). С. 27-31.

10. Болдырев А.И. Экспериментальные исследования состояния поверхностного слоя после электрохимикомеханической обработки / А.И. Болдырев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 10. С. 15-20.

11. Болдырев А.И. Упрочнение материалов виброударным и комбинированным методом с предшествующей электрохимической обработкой / А.И. Болдырев // Упрочняющие технологии и покрытия. 2011. № 2. С. 35-38.

12. Болдырев А.И. Исследование условий комбинированной обработки для технологического обеспечения показателей качества поверхностей турбины / А.И. Болдырев, Г.А. Сухочев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 2. С. 118-121.

13. Болдырев А.И. Расчет основных параметров технологического процесса электрохимикомеханической обработки / А.И. Болдырев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. № 2/2 (286). С. 61-66.

14. Болдырев А.И. Влияние комбинированной электрохимикомеханической обработки на состояние поверхностного слоя деталей машин / А.И. Болдырев И Вестник Брянского ГТУ. 2011. № 1 (29). С. 15-21.

15. Болдырев А.И. Комбинированная электрохимикомеханическая обработка деталей авиационно-космической техники / А.И. Болдырев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. № 1 (2). С. 293-296.

16. Болдырев А.И. Технологическое оснащение электрохимикомеханической обработки внутренних поверхностей / А.И. Болдырев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. №8. С. 15-20.

17. Технология получения каналов сложного профиля комбинированными методами / А.И. Болдырев, Г.А. Сухочев, С.Н. Коденцев, Е.Г. Смольянникова // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 8. С. 71-74.

18. Смоленцев В.П. Технологические методы обеспечения качества изделий авиационно-космической техники / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, В.Н. Старов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 2. С. 144-148.

19. Болдырев А.И. Технологические схемы и инструменты для комбинированной обработки внутренних поверхностей / А.И. Болдырев //

Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. №

2/3 (292). С. 16-21. v „

20 Печагин А.П. Стабилизация геометрии литых чугунных и

стальных сборных конструкций путем воздействия электромагнитными импульсами / А.П. Печагин, А.И. Болдырев, Г.Н. Климова // Соорка в машиностроении, приборостроении. 2012. № 6. С. 41-45.

Книги

21. Болдырев А.И. Элекгрохимикомеханическая обработка: монография / А.И. Болдырев. Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2012. 243 с. ^

22 Комбинированные методы обработки: учео. посооие / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, A.B. Кузовкин, ПЛ. Смоленцев, А И Часов-ских; под ред. В.П. Смоленцева. Воронеж: ВГТУ, 1996. 168 с. (Гриф УМО

АМ)" 23 Технология электрических методов обработки: учеб. пособие / В.П. Смоленцев, A.B. Кузовкин, А.И. Болдырев, В.И. Гунин. Воронеж:

ВГУ, 2001. 310 с. (Гриф МО РФ). „

24 История развития технологии машиностроения: учео. пособие / В.П. Смоленцев, A.B. Кузовкин, А.И. Болдырев, В.И. Гунин. Воронеж:

ВГУ, 2001. 259 с. (Гриф МО РФ).

25 Теория электрических и физико-химических методов обработки Обработка материалов с применением инструмента: учеб. пособие / В П Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев и др.; под ред. В.П. Смоленцева. Воронеж: ВГТУ, 2008. Ч. 1. 248 с. (Гриф УМО AM).

26 Теория электрических и физико-химических методов обраОот-ки Обработка материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии и комбинированными методами: учеб. пособие / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев и др.; под ред. А.И. Болдырева.

Воронеж: ВГТУ, 2008. Ч. 2. 136 с. (Гриф УМО AM). _

27 Технологические методы повышения качества изделии: учео. пособие / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев, В.Н. Сухоруков, A.A. Болдырев. Воронеж: ВГТУ, 2011. 127 с. (Гриф УМО AM).

Авторские свидетельства СССР и патенты РФ

28 А с 1085734 СССР, МКИ3 В 23 Р 1/04, 1/10. Способ электрохи-микомеханической обработки / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев (СССР). № 3460386/25-08; заявл. 29.06.82; опубл. 15.04.84; Бюл. № 14. 2 с.

29 А с 1191215 СССР, МКИ4 В 23 Н 3/08. Способ размерной электрохимической обработки / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев Е.П. Зорин Э Х. Милушев (СССР). № 3654695/25-08; заявл. 29.07.83; опубл. 15.11.85, Бюл. № 42. 3 с.

30. A.c. 1192917 СССР, МКИ4 В 23 Н 3/00. Способ размерной электрохимической обработки / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Г.П. Смолен-цев (СССР). № 3702600/25-08; заявл. 20.02.84; опубл. 23.11.85; Бюл. № 43. 4 с.

31. A.c. 1218572 СССР, МКИ4 В 23 Н 3/00. Способ размерной электрохимической обработки / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, В.В. Трофимов, Т.П. Литвин, В.И. Гунин (СССР). № 3741137/25-08; заявл. 22.05.84; зарег. 15.11.85; не публикуется.

32. A.c. 1299719 СССР, МКИ4 В 23 Н 3/08, Н 05 К 3/18. Способ электрохимической обработки металлических покрытий на диэлектриках / В.П. Смоленцев, В.В. Трофимов, А.И. Болдырев, З.Б. Садыков (СССР). № 3901794/31-08; заявл. 19.03.87; опубл. 30.03.87; Бюл. № 12. 3 с.

33. A.c. 1550735 СССР, МКИ4 В 23 Н 3/00. Способ обработки заготовок с открытой полостью / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, В.В. Трофимов, Г.П. Смоленцев, В.И. Гунин (СССР). № 4039121/25-08; заявл. 24.03.86; зарег. 15.11.89; не публикуется.

34. A.c. 1707856 СССР, МКИ5 В 23 Н 5/06. Способ электрохими-комеханической обработки / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, A.B. При-ходько, М.Г. Смоленцев (СССР). № 4325411/08; заявл. 15.07.87; зарег. 22.09.91; не публикуется.

35. Пат. 2072282 РФ, МПК6 В 23 Н 5/12, 5/06. Гранула наполнителя для комбинированной электрообработки / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, A.B. Кузовкин (РФ). № 93036401/08; заявл. 14.07.93; опубл. 27.01.97; Бюл. №3.4 с.

36. Пат. 2166417 РФ, МПК7 В 23 Н 5/14. Устройство для комбинированной электрообработки / В.П. Смоленцев, A.B. Кузовкин, А.И. Болдырев, В.П. Кузовкин, Г.П. Смоленцев (РФ). № 99115512/02; заявл. 13.07.99; опубл. 10.05.01; Бюл.№ 13. 3 с.

37. Пат. 2251472 РФ, МПК7 В 23 Н 5/06, 5/10. Способ электрохи-мико-механической обработки каналов и устройство для его осуществления / В.В. Долгушин, О.В. Козлова, В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев (РФ). №2003129709/02; заявл. 06.10.03; опубл. 10.05.05; Бюл. № 13.7 с.

38. Пат. 2333822 РФ, МПК7 В 23 Н 5/00, 9/10; В 24 В 39/00. Способ комбинированной магнитно-импульсной обработки деталей лопаточных машин и устройство для его осуществления / В.П. Смоленцев, В.Н. Гореликов, Е.Г. Сухочева, А.М. Гренькова, А.И. Болдырев (РФ). № 2006141323/02; заявл. 22.11.06; опубл. 20.09.08; Бюл. №26. 7 с.

39. Пат. 2411111 РФ, МПК В 23 Н 5/04. Способ анодно-динамического упрочнения детали из токопроводящего материала / А.П. Печагин, А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев, А.И. Найденов (РФ). № 2107163/02; 2009107163/02; заявл. 27.02.09; опубл. 10.02.11; Бюл. 4. 7 с.

Публикации в зарубежных изданиях

40. Смоленцев В.П. Формирование поверхности после элеетрохи мической размерной обработки / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев // Докла-;ГелеГРоРГноРлогии четвьерти научно-технически семинар международно участие по неконвенционални технологии в машиноетроенето (АМО -89). Ботевград^^989^С. Ш§194. ^ ^ when

Machining / V Smolentsev, A. Boldyrev, A. Kusovkin // Precis,с Surface Fm-S an! Burr Technology: 4-th International Conference. Bad Nanheim, Ger-

таПУ' 194926' SVmo.entPseiv2p5' Quality and Re.iabi.ity Improving of High Stressed Items / V P SmSsev, A.l. Boldyrev // BEST-J: Japan Society of Debumng and Surface Conditioning Technique, 1997. № 3. P. 139-142

43 Boldyrev A.I. Means that Protect Technological Equipment trom Destruction in the Process of Electrolytic Machining / A.I. Boldyrev, V.P^Smo-Геп ev ? V iolgushin // Research and Development in Mechanical ndustry : 3 " international conference RaDMI-2003. Serbia and Montenegro, 2003. Vol. 2.

Miedzynarodowej naukowi-praktyczne konferencj. / Volume 56. Techniczne

^^ of Metayer with Desired Prop^es /

A I Boldyrev // DNY VEDY - 2012 // Materialy VIII Mezinarodn. vedecko-praktcka conference / Oil 93. Technicke vedy: Praha (Czechia). Publishing House «Education and Science» s.r.o. P. 50-52.

Статьи и материалы конференций

46. Смоленцев В.П. Изотермическое течение электролита в зазоре при ЭХРО с неподвижным катодом / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, А П. Сергеев // Технология производства и прочность Де-еи летательных аппаратов и двигателей: межвуз. сб. науч. тр. Казань: КАИ 1981. С 55¡58

47 Кавитационные явления в потоке электролита при ЭХРО / A.l 1. Сергеев, А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев, О.А. Сергеева // Вопросы физики формообразования и фазовых превращений: межвуз. сб. науч. тр. Калинин.

КРУ 1982 С 127-132.

' 48 Болдырев А.И. Расчет продольных усилий при электрохимика-

механической обработке отверстий / А.И. Болдырев, В-П Смолеицев^В

Гуров // Технология авиастроения. Электрические методы обраоотки мате

риалов: межвуз. сб. науч. тр. Уфа: УАИ, 1982. Вып. 2. С. 65-69.

49. Смоленцев В.П. Наполнитель для электрохимической обработки / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.П. Зорин // Комбинированные элек-троэрозионно-электрохимические методы обработки материалов: материалы всесоюз. науч.-техн. конф. Уфа: УАИ, 1983. С. 121-124.

50. Болдырев А.И. Течение электролита в каналах при ЭХО / А.И. Болдырев, O.A. Сергеева // Комбинированные электроэрозионно-электрохимические методы обработки материалов: материалы всесоюз. науч.-техн. конф. Уфа: УАИ, 1983. С. 118-121.

51. Смоленцев В.П. Качество поверхностного слоя после обработки в электролите с наполнителем / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, A.A. Габагуев // Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: материалы семинара. М: МДНТП, 1983. С. 79-82.

52. Сергеев А.П. Критерий устойчивости течения электролита в зазоре с закруткой потока / А.П. Сергеев, В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев // Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов: межвуз. сб. науч. тр. Тула: ТПИ, 1985. С. 51-57.

53. Сергеев А.П. Тепловынос при гидродинамическом режиме процесса ЭХО / А.П. Сергеев, В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев // Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов: межвуз. сб. науч. тр. Тула: ТПИ, 1986. С. 21-24.

54. Болдырев А.И. Электрохимикомеханическая чистовая обработка внутренних поверхностей / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев // Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов: материалы докл. всесоюз. науч.-техн. конф. Брянск: НТО Машпром, 1986. С. 100-101.

55. Сергеев А.П. Катод-инструмент для ЭХРО в кавитационном режиме течения электролита / А.П. Сергеев, В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев // Технологические пути повышения качества изготовления авиадвигателей: межвуз. сб. науч. тр. Куйбышев: КуАИ, 1986. С. 33-39.

56. Управление качеством поверхности при электрохимикомеха-нической обработке / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев, Н.Д. Ипполитова, Б.В. Аракелян // Совершенствование отраслевого производства на основе внедрения передовой технологии и прогрессивного оборудования: труды отраслевой конф. Воронеж: ВНИТКБ, 1987. С. 17-24.

57. Смоленцев В.П. Влияние комбинированной обработки на качество поверхности / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев // Теория и практика ЭХРО в машиностроении: материалы межотраслевой конф. Казань: АН СССР, 1988. С. 72-75.

58. Болдырев А.И. Управление процессом электрохимической обработки точных каналов с гарантированным наклепом / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев // Математическое обеспечение и автоматическое управление высокопроизводительными процессами механической и физико-

химической обработки: материалы зональной конф. Андропов: ААТИ, 1988. С. 44-49.

59. Болдырев А.И. Комбинированная электрохимикомеханическая обработка каналов / А.И. Болдырев // Разработка и промышленная реализация новых механических и физико-химических методов обработки (Обработка - 88): материалы всесоюз. науч.-техн. конф. М.: МВТУ, 1988. С. 4648.

60. Болдырев А.И. Инструменты для электрохимической размерной обработки каналов с гарантированным наклепом / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев // Пути повышения качества и надежности инструмента: материалы зональной науч.-техн. конф. Барнаул: Алтайское ВНТО, 1989. С. 2324.

61. Болдырев А.И. Энергетический анализ создания поверхностного слоя с заданными эксплуатационными свойствами / А.И. Болдырев, Т.В. Тришина // Новые процессы получения и обработки металлических материалов: материалы совещ. Воронеж: АН СССР, 1990. С. 46-48.

62. Болдырев А.И. Адаптивная система управления комбинированным процессом / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев // Качество и надежность технологических систем механообработки: материалы респ. науч.-техн. конф. Краматорск: МВССО УССР, 1991. С. 66-72.

63. Смоленцев В.П. Процесс и оборудование для комбинированной электрохимической обработки каналов / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, В.П. Кузовкин // Ресурсосберегающая технология машиностроения: материалы респ. науч.-практ. конф. М.: МГААТМ, 1993. С. 165-167.

64. Смоленцев В.П. Виброударное и комбинированное упрочнение материалов после электрохимической обработки / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, A.B. Кузовкин // Ресурсосберегающие технологии машиностроения: межвуз. сб. науч. тр. М.: МГААТМ, 1995. С. 207-210.

65. Смоленцев В.П. Гидродинамические параметры размерной комбинированной электрообработки с использованием твердого токопро-водящего наполнителя / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, A.B. Кузовкин // Производительная обработка материалов: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1995. С. 45-49.

66. Болдырев А.И. Формирование качества поверхности каналов после комбинированной обработки / А.И. Болдырев // Гибкоструктурные нетрадиционные технологии в машиностроении и приборостроении: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: АТН РФ, 1996. С. 48-53.

67. Болдырев А.И. Точность процесса электрохимикомеханической обработки каналов / А.И. Болдырев, В.В. Долгушин // Нетрадиционные технологии в машиностроении и приборостроении: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1996. Вып. 1. С. 38-43.

68. Болдырев А.И. Станок для комбинированной электрохимической обработки каналов / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев, А.П. Сергеев //

Теория и практика машиностроительного оборудования: материалы меж-дунар. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 1996. С. 24-28.

69. Болдырев А.И. Обеспечение требуемого наклепа при обработке каналов / А.И. Болдырев // Теория и практика машиностроительного оборудования: материалы междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 1998 С. 39-43.

70. Сергеев А.П. К вопросу точности формообразования отверстий / А.П. Сергеев, А.И. Болдырев, A.A. Власов // Нетрадиционные технологии в машиностроении и приборостроении: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1999. Вып. 3. С. 86-90.

71. Болдырев А.И. Создание новых комбинированных методов обработки / А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев, A.B. Кузовкин // Новационные технологии и управление в технических и социальных системах: материалы межвуз. науч.-практ. конф. Воронеж: ВГТУ, 1999. С. 21-23.

72. Кузовкин A.B. Научные основы автоматизации комбинированной обработки с применением наполнителя / A.B. Кузовкин, В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев // Новационные технологии и управление в технических и социальных системах: материалы межвуз. науч.-практ. конф. Воронеж: ВГТУ, 1999. С. 4-9.

73. Кузовкин A.B. Исследование методики определения точности профиля деталей после комбинированной обработки с наполнителем / A.B. Кузовкин, А.И. Болдырев, В.И. Гунин // Информационные технологии и системы: сб. науч. ст. Воронеж: ВГТА, 2001. Вып. 4. С. 41-44.

74. Построение модели размерного формообразования деталей на основе использования обобщенного критерия управления / A.B. Кузовкин, А.И. Болдырев, В.П. Кузовкин, В.И. Гунин // Информационные технологии и системы: сб. науч. ст. Воронеж: ВГТА, 2001. Вып. 4. С. 45-49.

75. Болдырев А.И. Формирование поверхности каналов после комбинированной обработки / А.И. Болдырев, О.В. Козлова // Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии: материалы всерос. науч.-техн. конф. Липецк: ЛГТУ, 2002. Ч. 2. С. 19-25.

76. Болдырев А.И. Управление режимами комбинированной обработки внутренних каналов с целью обеспечения заданных параметров точности и качества поверхностного слоя / А.И. Болдырев, О.В. Козлова // Современная электротехнология в промышленности центра России: сб. тр. V per. науч.-техн. конф. Тула: ТулГУ, 2002. С. 68-73.

77. Болдырев А.И. Обеспечение заданных параметров точности и качества обработки деталей методом реформирования технологической наследственности / А.И. Болдырев, О.В. Козлова, В.В. Бородкин // Технологическое обеспечение машиностроительных производств: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2002. Вып. 1.С. 11-18.

78. Кузовкин A.B. Анализ методов и способов размерного формообразования сложнопрофильных поверхностей комбинированными мето-

дамп / А.В. Кузовкин, В.П. Кузовкин, А.И. Болдырев // Современная электротехнология в промышленности центра России: материалы VI регион, науч.-техн. конф. Тула: ТГУ, 2003. С. 78-82.

79. Моделирование процесса комбинированной обработки с наполнителем / А.В. Кузовкин, А.И. Болдырев, В.П. Кузовкин, В.В. Долгушин // Современная электротехнология в промышленности центра России: материалы VI регион, науч.-техн. конф. Тула: ТГУ, 2003. С. 83-87.

80. Практическое применение электрофизической специальной обработки деталей ЖРД / В.И. Биркин, А.И. Болдырев, В.П. Смоленцев, А.И. Часовских // СИНТ-2003: труды II междунар. науч.-техн. конф. Воронеж:

КБХА, 2003. С. 48-53.

81. Смоленцев В.П. Модель процесса электрохимикомеханическои

обработки с наполнителем / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, А.В. Кузовкин // Современная электротехнология в промышленности центра России: материалы регион, науч.-техн. конф. Тула: ТГУ, 2006. С. 73-79.

82. Болдырев А.И. Развитие нетрадиционных технологий / А.И. Болдырев // Нетрадиционные методы обработки: межвуз. сб. науч. тр. М.:

Машиностроение, 2006. Вып. 8. С. 3-8.

83. Болдырев А.И. Технологические приемы обработки точных каналов с упрочнением поверхностным наклепом / А.И. Болдырев // Нетрадиционные методы обработки: межвуз. сб. науч. тр. М.: Машиностроение,

2009. Вып. 9.4.2. С. 151-159.

84. Болдырев А.И. Опыт промышленного применения комбинированных методов обработки / А.И. Болдырев // Нетрадиционные методы обработки: межвуз. сб. науч. тр. М.: Машиностроение, 2009. Вып. 9. Ч. 3. С. 17-24.

85. Болдырев А.И. Механизм формирования поверхностного слоя с требуемыми свойствами / А.И. Болдырев // Нетрадиционные методы обработки: межвуз. сб. науч. тр. М.: Машиностроение, 2009. Вып. 9. Ч. 3. С. 5358.

86. Болдырев А.И. Обеспечение точности и эксплуатационных показателей наукоемких изделий электрохимикомеханической обработкой / А.И. Болдырев // Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении (ТМ-2010): сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2010. С. 55-66.

87. Болдырев А.И. Инженерия поверхностного слоя изделии при комбинированной обработке / А.И. Болдырев // Станочный парк. 2011.

№ 1-2 (79). С. 36-39.

88. Болдырев А.И. Проектирование технологии электрохимикомеханической обработки отверстий / А.И. Болдырев // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2011. Вып. 6. С. 40-43.

89. Белякин A.C. Технологические пути повышения качества изделий ракетно-космической техники / A.C. Белякин, A.A. Болдырев, А.И. Болдырев // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2011. Вып. 6. С. 50-54.

90. Болдырев А.И. Технологические способы снижения материалоемкости нагруженных конструкций / А.И. Болдырев // Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011): сб. тр. 3 междунар. науч.-техн. конф. Брянск: Минобрнауки РФ, 2011. С. 251-255.

91. Болдырев А.И. Методика расчета режимов комбинированной обработки / А.И. Болдырев // Современные технологии производства в машиностроении: сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2011. Вып. 5. С. 8-10.

92. Болдырев А.И. Инструмент и технологическая оснастка для электрохимикомеханической обработки / А.И. Болдырев // Современные технологии производства в машиностроении: сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2011. Вып. 5. С. 16-19.

93. Болдырев А.И. Применение методов комбинированной обработки для повышения эксплуатационных характеристик изделий / А.И. Болдырев // Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии: сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. Липецк: ЛГТУ, 2012. С. 53-57.

94. Болдырев А.И. Механизм формирования поверхностного слоя с требуемыми характеристиками / А.И. Болдырев // ССП - 20J2: материалы V междунар. науч.-практ. конф. Воронеж: ВГКПТЭС, 2012. С. 158-164.

95. Болдырев А.И. Наукоемкие методы комбинированной обработки в машиностроении и двигателестроении / А.И. Болдырев // Наукоемкие технологии в машиностроении и двигателестроении (ТМ-2012): материалы IV междунар. науч.-техн. конф. Рыбинск: Минобрнауки РФ, 2012. Ч. II. С.

215-220.

Подписано в печать 05.02.2013. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Зак. №¿3 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

СОЗДАНИЕ СПОСОБОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОХИМИКОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ТОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ФОРМИРОВАНИЕМ ВЫСОКОРЕСУРСНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Специальности: 05.02.07 - Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки 05.02.08 - Технология машиностроения

На правах рукописи

05201350703

Болдырев Александр Иванович

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж 2012

Содержание

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................5

Глава 1. Проектирование и разработка комбинированных методов управления эксплуатационными характеристиками высоконагружен-ных деталей...........................................................................................................15

1.1. Способы механического упрочнения поверхностного слоя металлов..........................................................................................................................15

1.2. Механизм формообразования поверхностного слоя с требуемыми характеристиками.................................................................................................29

1.3. Влияние механического упрочнения на эксплуатационные характеристики высоконагруженных деталей...............................................................37

1.4. Технологические процессы упрочняющих способов обработки.............45

1.5. Методы электрохимикомеханической обработки.....................................73

1.6. Опыт промышленного применения комбинированных методов обработки ..................................................................................................................93

1.7. Анализ известных методов повышения эксплуатационных характеристик и задачи исследований...................................................................'.........98

I

Глава 2. Обоснование путей решения поставленных задач............................100

2.1. Новые методы комбинированной обработки.............................................100

2.2. Инструмент и технологическое оснащение...............................................105

2.3. Экспериментальное оборудование..............................................................110

2.4. Анализ результатов усталостных испытаний с упрочнением и обоснование методов упрочнения при комбинированной обработке....................118

2.5. Пути решения поставленных задач.............................................................122

Выводы..................................................................................................................122

Глава 3. Механизм и описание процесса электрохимикомеханической

обработки..............................................................................................................126

3.1. Механизм формирования поверхностного слоя с требуемыми свойствами....................................................................................................................126

3.2. Моделирование процесса электрохимикомеханической обработки.......128

3.3. Обоснование граничных условий модели процесса электрохимикомеханической обработки.....................................................................................137

3.4. Подтверждение основных зависимостей, полученных при моделировании электрохимикомеханической обработки............................................139

3.5. Методика расчета режимов комбинированной обработки.......................147

Выводы..................................................................................................................149

Глава 4. Обеспечение технологических показателей электрохимикомеханической обработки.........................................................................................152

4.1. Точность электрохимикомеханической обработки...................................152

4.2. Наклеп поверхности после электрохимикомеханической обработки.....158

4.3. Остаточные напряжения после электрохимикомеханической обработки......................................................................................................................162

4.4. Эксплуатационные показатели изделий после электрохимикомеханической обработки.............................................................................................163

Выводы..................................................................................................................176

Глава 5. Методика проектирования технологических процессов электрохимикомеханической обработки типовых деталей....................................177

5.1. Технологичность типовых деталей для электрохимикомеханической обработки.....................................................................................................177

5.2. Технология обработки внутренних поверхностей....................................185

5.3. Процесс обработки труднодоступных участков деталей несвязанными гранулами...................................................................................................219

5.4. Разработка схемы и технологии обработки лопаток и межлопаточных каналов турбинных агрегатов.....................................................................237

5.5. Технология комбинированной обработки переходных участков............246

Выводы..................................................................................................................251

Глава 6. Реализация метода электрохимикомеханической комбинированной обработки типовых деталей...................................................................253

6.1. Изготовление внутренних поверхностей....................................................253

6.2. Изготовление лопаток и межлопаточных каналов....................................255

6.3. Изготовление полостей и панелей...............................................................258

6.4. Маркирование с наклепом...........................................................................263

6.5. Перспективы использования электрохимикомеханической комбинированной обработки.........................................................................................267

Выводы..................................................................................................................269

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.......................................................270

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................273

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................305

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

В ранее выполненных нами работах установлено, что степень наклепа значительно влияет на показатели усталостной прочности изделий. При этом требуется достичь наклепа, оптимального для каждого материала деталей. Этот показатель зависит от наследственных явлений, режимов обработки и при существующих методах механического упрочнения не может быть стабильным. Все попытки получить оптимальный (с позиций повышения усталостной прочности) наклеп не давали стабильного результата из-за исходного состояния поверхностного слоя, где наблюдался большой разброс показателей наклепа. Предшествующая термическая обработка достаточно эффективно снимала внутренние напряжения, но не давала стабильного наклепа в наружном слое. Это заставляло его удалять, но механические способы вновь вызывали наклеп, который не позволял получить при последующей обработке требуемое упрочнение.

Процессы электрохимической размерной обработки с последующим механическим упрочнением не позволяли получить заданную точность, шероховатость и наклеп поверхностного слоя, т.к. выполнялись раздельно и не позволяли достичь требуемых показателей.

Разработанные нами способы и устройства позволили создать принципиально новую систему управления процессом комбинированной электрохи-микомеханической обработки, открывающей возможность получить высокую точность, низкую шероховатость и гарантировать достижение предела усталостной прочности, обеспечивающего запас длительной работоспособности изделий при многоцикловых нагружениях, свойственных, в частности, авиационно-космической и другой транспортной технике. При научном обосновании гарантированного повышения усталостной прочности разработчики современной техники получают возможность снизить массу силовых

элементов, что создает пути выхода на выпуск конкурентоспособной промышленной продукции.

Поставленная проблема актуальна для промышленности. Она является основой для выполнения государственных программ «Мобильный комплекс» (раздел «Техническое перевооружение». Постановление Правительства РФ № 2164 П) и «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» (Федеральный закон № 94 - ФЗ от 21 июля 2005 г), а также научного направления ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с планом ГБ НИР № 2007.15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».

Научная проблема.

Технологическое решение проблемы обеспечения высокого уровня точности металлических изделий с одновременным достижением предельного значения эксплуатационного показателя - предела прочности изделий при многоцикловых нагружениях, свойственных высокоресурсным объектам транспортной и другой техники.

Цель и задачи исследования.

Целью работы является создание и реализация новых способов и технологии комбинированной обработки с наложением электрического поля, позволяющих совместить достоинства электрохимической размерной обработки с упрочняющей технологией за счет единого технологического подхода к управлению процессом по постоянству силы подачи комбинированного инструмента.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Научное обоснование и создание способов комбинированной обработки, обеспечивающих получение повышенной точности и управляемой величины оптимального наклепа для достижения высокой усталостной прочности высокоресурсных изделий;

2. Раскрытие механизма комбинированной обработки металлических изделий;

3. Моделирование процессов, используемых в созданных способах комбинированной обработки;

4. Разработка методики проектирования режимов и технологии использования разработанных способов комбинированной обработки;

5. Исследование технологических возможностей разработанных способов обработки;

6. Разработка технологии комбинированной обработки для типовых видов поверхностей;

7. Исследование возможностей новых способов при изготовлении изделий различного назначения.

Методы и достоверность исследования.

Теоретические исследования выполнялись с использованием базовых положений и фундаментальных основ упрочняющих, электрохимических и комбинированных методов обработки. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием планирования эксперимента и регрессионного анализа.

Достоверность проведенных исследований, научных положений, выводов и рекомендаций, полученных в работе, подтверждается согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с применением современных методов, и статистической обработкой данных, а также апробацией полученных результатов.

Выявленные при этом элементы научной новизны и практической ценности выдвигаются автором в качестве основных положений для защиты.

Научная новизна.

1. Научно обоснованы и созданы новые способы комбинированной обработки наружных и внутренних поверхностей металлических изделий. Способы базируются на новом принципе управления комбинированным процессом по силе подачи комбинированного инструмента вдоль зоны формообра-

зования, где имеет место адаптивное управление процессом анодного растворения припуска до заданного профиля за счет поддержания скорости перемещения калибрующего элемента и управления движением калибрующего элемента через съем припуска со стороны подачи электрода-инструмента. Способы позволяют управлять съемом, формировать профиль повышенной точности и требуемое качество поверхностного слоя за счет использования силовой подачи вдоль зоны обработки одновременно на электрод-инструмент и калибрующий элемент, который связан с электродом в форме единого инструмента. На способы получено 12 авторских свидетельств и патентов страны.

2. Раскрыт механизм формирования геометрии и поверхностного слоя при едином принципе управления процессом по величине постоянной подачи и величине стабильного расчетного наклепа материалов для изготовления высокоресурсных изделий.

3. Создано математическое описание процессов, протекающих при комбинированной обработке и необходимых для проектирования технологических режимов разработанных способов.

4. Установлены закономерности технологического обеспечения высокой точности формообразования и оптимального поверхностного слоя при различных сочетаниях действия на материал электрического поля и механического воздействия с управлением по величине продольной силы.

Практическая значимость.

1. На базе новых способов созданы устройства для различных технологических схем формообразования и формирования поверхностных слоев с требуемыми характеристиками.

2. Созданы новые технологические процессы, использующие механизм удаления припуска и формирования поверхностного слоя по разработанным способам.

3. Разработаны пути управления комбинированным процессом, позволяющие разработать технологические процессы изготовления типовых изде-

лий, работающих при знакопеременных нагрузках в высоконагруженных узлах машин.

4. Созданы и защищены патентами новые виды инструмента для реализации разработанных способов.

5. Спрогнозированы пути совершенствования комбинированных технологических процессов, необходимых для создания и выпуска конкурентоспособной продукции машиностроения.

Личный вклад соискателя.

1. Создание новых способов комбинированной обработки и реализации его для типовых изделий, что позволило достичь высокой точности обработки наружных и внутренних поверхностей металлических изделий при управлении процессом формообразования геометрических размеров и обеспечения требуемых показателей качества поверхностного слоя. Соискатель является ведущим разработчиком 10 способов и 8 устройств, защищенных охранными документами.

2. Разработка концепции протекания механизма комбинированной обработки, устанавливающей связи между динамикой удаления части припуска анодным растворением и получения стабильного слоя материала под деформирование калибрующим элементом с управлением по расчетной величине силы продольной подачи, что позволило отойти от классической схемы труднореализуемой подачи по управляемому сближению электродов к простому и надежному управлению по величине остаточного припуска под калибровку переменном времени локальной обработки, пропорциональном величине припуска и обрабатываемости каждого участка изделия, что позволило повысить точность обработки без усложнения и удорожания средств технологического оснащения, расширить область механического упрочнения, повысить работоспособность, ресурс и надежность силовых изделий, снизить массу высоконагруженных деталей, что усиливает конкурентоспособность создаваемой продукции машиностроения, особенно авиационно-космической и наземной транспортной техники.

3. Формирование механизма и математическое описание процессов, протекающих в технологическом пространстве между обрабатываемой поверхностью, электродом-инструментом и калибрующим элементом, при управлении динамикой съема припуска и получения требуемого качества поверхностного слоя путем применения единого управляющего воздействия -величины продольной подачи комбинированного инструмента.

4. Научное обоснование предельных возможностей комбинированной электрохимикомеханической обработки по разработанному базовому способу и установление области рационального использования новых способов в машиностроении.

5. Методики проектирования комбинированного технологического процесса, наиболее полно реализующего возможности новых способов и устройств в зависимости от свойств объектов обработки и требований к ним с учетом особенностей реализации этапов жизненного цикла изделий.

6. Новые инструменты и другие средства технологического оснащения (защищены авторскими свидетельствами и патентами) для освоения в производстве предложенных способов комбинированной обработки.

7. Обоснование области использования способов для повышения конкурентоспособности создаваемой продукции машиностроения с учетом современных условий поставки изделий на мировой рынок промышленных изделий.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты исследований внедрены на ФГУП НПО «Техномаш», ВМЗ - Филиале ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, ПФК «ВСЗ-Холдинг», ОАО «НИИАСПК», ЗРД КБХА, НПП «Гидротехника», ОАО «КамАЗ» с общим экономическим эффектом более 3,4 миллионов рублей, а также в учебный процесс ВГТУ, ЛГТУ, ВГАСУ.

Апробация работы.

Основные научные результаты диссертационной работы обсуждались на конференциях: Всесоюзная научно-техническая конференция «Комбини-

рованные электроэрозионно-электрохимические методы обработки материалов» (Уфа, 1983); семинар МДНТП «Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов», (Москва, 1983); Всесоюзная научно-техническая конференция «Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов», (Брянск, 1986); отраслевая конференция «Совершенствование отраслевого производства на основе внедрения передовой технологии и прогрессивного оборудования», (Воронеж, 1987); межотраслевая конференция «Теория и практика ЭХРО в машиностроении», (Казань, 1988); зональная конференция «Математическое обеспечение и автоматическое управление высокопроизводительными процессами механической и физико-хи