автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей с щелевыми каналами комбинированной обработкой

На правах рукописи

РОДИОНОВ Александр Олегович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТАЛЕЙ С ЩЕЛЕВЫМИ КАНАЛАМИ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКОЙ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Курск-2014 0 0 5 5598 06

005559806

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель Сухочев Геннадий Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», профессор кафедры «Технология машиностроения»

Официальные оппоненты: Старое Виталий Николаевич, доктор

технических наук, профессор, Воронежский институт Государственной противопожарной службы МЧС России, профессор;

Коровин Артем Александрович,

кандидат технических наук, ООО Инженерно-консалтинговая фирма «СОЛВЕР», г. Воронеж, консультант

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Защита состоится 29 декабря 2014 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.037.04, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (ВГТУ), ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» (БГТУ), ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ), по адресу: 305040, Курская область, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94 (конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ) и на сайте www.swsu.ru.

Автореферат разослан 06.11.2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Кириллов Олег Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Детали с мелкоразмерными проточными щелевыми каналами в составе высоконапорных систем охлаждения широко используются в агрегатах подачи рабочих сред энергетических установок и двигателей. Для получения минимального сопротивления при перемещении рабочего тела к проточной части предъявляются повышенные требования по чистоте обработки и работоспособности поверхностей в условиях термодинамических нагружений и агрессивных сред. Мелкоразмерные каналы в настоящее время получают в цельных заготовках различными методами: традиционной лезвийной обработкой, прошиванием на электроэрозионных, электрохимических станках и электронным лучом, а также с использованием комбинаций из различных способов формообразования. Основная проблема заключается в том, что щелевые каналы высотой менее 2 миллиметров не позволяют достаточно эффективно использовать традиционные средства металлообработки и контроля показателей качества поверхности, а также ее геометрии при профилировании в процессе изготовления таких деталей. В настоящее время контроль обеспечения заданных эксплуатационных показателей проводится после окончательного изготовления деталей при параметрических испытаниях на специальных проливочных стендах (в составе агрегата или отдельно), с последующей индивидуальной доработкой с переборками, что является очень трудоемкой дорогостоящей операцией. Для деталей с многочисленными закрытыми каналами это становится равноценным процессу их нового изготовления, что экономически не целесообразно.

Для повышения эксплуатационных показателей перспективных изделий наиболее успешным оказался метод комбинированной обработки с наложением электрического поля. Подобные исследования для открытых поверхностей, в том числе для широких каналов, системно проводят в Воронеже, Казани, Уфе, Туле. Они оказались весьма результативными, обеспечивая, в случаях полностью проточных поверхностей, снижение величин шероховатости до расчетных. Однако при малых сечениях протяженных и закрытых щелевых каналов исследователям не удавалось получить стабильного микропрофиля поверхности, что снижало эксплуатационную надежность и затрудняло создание перспективных энергоустановок и двигателей. Это и является научной проблемой, решаемой в работе, в результате чего создаются теоретические и методические основы направленного использования комбинированной обработки, обеспечивающей избирательное выравнивание микропрофиля поверхности в условиях ограниченного щелевого пространства и гарантирующих получение эксплуатационных характеристик изделия без доработки в узле. Технологическое обеспечение требуемых параметров создается за счет совмещения в одном процессе операций доводки и параметрического контроля.

Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 г.г. (мероприятие 1.2.1 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Ракетостроение») и научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с планом ГБ НИР № 2010.15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».

Целью работы является разработка технологии, обеспечивающей повышение эксплуатационных характеристик высоконапорных систем охлаждения и сочетающей в одной операции избирательную комбинированную обработку узких щелевых каналов токопроводящей средой, обладающей абразивными свойствами, с одновременным параметрическим контролем рабочего тела. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Научное обоснование выбора схемы технологического обеспечения эксплуатационных показателей щелевых каналов на основе совмещения параметрического испытания с комбинированной обработкой.

2. Исследование механизма формирования ориентированного потока абразивных частиц низкой концентрации для стабилизации эксплуатационных показателей щелевых проточных каналов при одновременном воздействии низковольтного электрического поля путем совмещения механической и электрической составляющих процесса обработки в один процесс.

3. Создание нового технологического способа комбинированной электрохимикоабразивной обработки узких щелевых каналов, повышающего стабильность расходных характеристик после комбинированной обработки с организацией объективного параллельного контроля.

4. Обоснование граничных значений концентрации абразивного наполнителя, обеспечивающих эффективность анодного воздействия при комбинированной обработке средой с управляемой энергией её механического воздействия за счет дозирования абразивных свойств.

5. Обоснование рабочих диапазонов технологических режимов комбинированной обработки узких проточных каналов абразивно насыщенной средой низкой концентрации в условиях анодного растворения материала.

6. Разработка режимов процесса обработки щелевых каналов с комбинированным электрохимикоабразивным воздействием, обеспечивающим не только избирательность удаления микровыступов поверхности, но и устранение микродефектов для обеспечения качества высоконапорных эксплуатационных расходных характеристик.

7. Разработка специальных средств технологического обеспечения комбинированной обработки щелевых каналов с комбинированным электрохимикоабразивным воздействием, позволяющих совместить операции

доводки микропрофиля и контроля высоконапорных эксплуатационных расходных характеристик.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались разделы теории, абразивной обработки, анодного растворения в сла-бопроводящих рабочих средах с абразивными гранулами, процесса поверхностного пластического деформирования, положений математических методов моделирования, классических закономерностей технологии машиностроения.

Научная новизна полученных результатов работы включает:

- научно и технически обоснована возможность технологического обеспечения эксплуатационных показателей щелевых каналов на основе совмещения операции параметрического испытания с низковольтной комбинированной доводкой, проводящейся с добавлением малой концентрации абразива, на долю которого приходится снятие наибольших неровностей;

- установление новых закономерностей взаимосвязанного воздействия факторов, совмещаемых в процессе избирательной обработки поверхностей щелевого канала потоком жидкости с несвязанными абразивными гранулами низкой концентрации и анодного растворения материала в условиях ограниченного пространства;

- механизм протекания процессов формирования микрогеометрии поверхностного слоя с требуемыми свойствами под избирательным воздействием абразивных частиц и электрического поля на микровыступы в канале, а также механизм взаимодействия частиц между собой;

- закономерности технологического управления комбинированным воздействием потока токопроводящей среды с абразивом низкой концентрации в электрическом поле для достижения технологических показателей, обеспечивающих заданные эксплуатационные характеристики деталей с узкими щелевыми каналами;

- режимы протекания процессов комбинированной обработки с учетом ограниченных условий перемещения рабочей среды в щелевом канале, учитывающих закономерности проектирования специальных технологических устройств для измерения расходных характеристик деталей с проточными каналами в процессе их доводки.

Практическая значимость работы:

- разработан и внедрен технологический процесс комбинированного формирования каналов деталей современных энергетических установок с мелкоразмерными щелевыми каналами путем избирательного механического воздействия на микровыступы и локально усиливаемого анодного растворения в микрозоне обработки, что позволило повысить надежность и ресурс в целом машин нового поколения;

- показаны пути повышения производительности и качества за счет совмещения доводочных операций и контроля эксплуатационных характеристик поверхностей канала, что обеспечивает реализацию проектных пока-

зателей перспективных изделий и способствует росту конкурентоспособности отечественного машиностроения, особенно в авиационно-космической отрасли;

— показаны перспективы и методология использования комбинированных методов для технологического обеспечения эксплуатационных характеристик деталей с проточными щелевыми каналами различного технологического оборудования добывающих отраслей и перспективной транспортной техники.

Личный вклад соискателя в работу:

— исследование процессов, протекающих при комбинированной обработке каналов, результатом чего является создание нового способа обработки мелкоразмерных щелевых каналов при совместном использовании локального механического воздействия незакрепленных гранул и направленного анодного растворения;

— разработка механизма и моделей комбинированной обработки низкоконцентрированной абразивной средой с наложением электрического тока, обеспечивающих показатели режимов, гарантирующих получение стабильных эксплуатационных характеристик, превышающих достигнутый уровень в мировой практике;

— разработка технологического процесса комбинированного профилирования щелевого канала, совмещающего доводку и контроль расходных характеристик с управлением избирательным механическим воздействием абразивных частиц и интенсивностью локального анодного растворения, обеспечивающим стабильное качество поверхностного слоя и надежность работы деталей с проточными полостями в изделии;

— проектирование новых технологических схем оборудования для объединения комбинированного процесса и методов контроля расходных характеристик проточных поверхностей с патентованием части технических решений, что дает приоритет разработок и существенное сокращение сроков и трудоемкости технологической доводки новой техники;

— участие во внедрении созданного метода с получением экономического эффекта;

— обоснование использования разработанных режимов и технологического процесса для перспективных изделий с узкими щелевыми каналами, выпускаемых и разрабатываемых в машиностроении и авиационно-космической отрасли.

Реализация результатов работы. Результаты исследований были переданы на предприятия и в организации г. Воронежа (КБ химавтоматики, НПП «Гидротехника», Воронежский механический завод) и были использованы при создании новых образцов энергетических установок и двигателей, агрегатов и транспортных машин для базовых отраслей промышленности. Внедрение результатов исследований позволило снизить непроизводственные потери, повысить расходные характеристики изделия, надежность и

сроки его безотказной работы. Документально подтвержден экономический эффект 513000 рублей.

Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались на международных, российских конференциях и семинарах: IV международной научно-практической конференции «Студент. Специалист. Профессионал» (Воронеж, 2011), Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию первого полета человека в космос (Воронеж, 2011), Российской научно-технической конференции «XVII Макеевские чтения» (Воронеж, 2011), XIX Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Королев, 2011), XXXVI Академических чтениях по космонавтике (Москва, 2012), VII Международной научно-технической конференции «СИНТ'13» (Воронеж, 2013), Всероссийской научно-технической конференции «Тенденции и инновации современной науки» (Трехгорный, 2014), Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2014), научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» Воронежского государственного технического университета (2011— 2014).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 - в рецензируемых научных журналах, получено положительное решение по 1 патенту РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - выбор схемы обработки; [2] - разработка схемы испытаний; [3, 5, 6, 8] - расчет режимов обработки; [4, 7] — разработка программы исследований; [9, 12] — проектирование оснащения; [10] — выбор методов контроля; [11, 13, 15] — экспериментальные исследования.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения, приложения, списка литературы из 100 наименований. Основная часть работы изложена на 129 страницах, содержит 56 рисунков, 5 таблиц, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, отмечен личный вклад соискателя, показана научная и практическая значимость работы.

Первая глава содержит результаты анализа особенностей конструкции, технологии изготовления и характера эксплуатации типовых изделий. Объектом исследования являются детали с проточными поверхностями малого сечения, наиболее проблемными из которых являются детали с щелевыми каналами: кольца завесы систем охлаждения, имеющие высоконапорные расходные параметры эксплуатации в экстремальных условиях. Анализ представленной информации позволяет сделать следующие выводы:

— наиболее перспективным в настоящее время является комбинированный метод, сочетающий в себе анодное растворение металла заготовки и механическое воздействие на поверхность;

- существующие математические модели комбинированной обработки с наложением тока не учитывают влияния исходного состояния контактирующих поверхностей, ограничения движения обрабатывающей среды в щелевых каналах, совместного воздействия тока и абразива, влияние его на расходные характеристики, без чего невозможно целенаправленное формирование микрогеометрии поверхностного слоя детали в канале с ограниченным доступом инструмента в зону обработки;

- в настоящее время отсутствуют эффективные методы размерной

комбинированной обработки труднодоступных щелевых каналов, доступ к которым традиционным инструментом затруднен или невозможен, особенно если канал выполнен в цельной заготовке из труднообрабатываемого материала (рисунок 1); - известные материалы по механизму влияния различных рабочих сред на протекающие в зоне комбинированной обработки процессы не дают однозначного и обоснованного представления о методах управления технологическими режимами для достижения заданных эксплуатационных показателей проточных каналов.

В результате анализа имеющихся данных показано, что рассматриваемая в работе технология комбинированной электрохимикоабразивной обработки перспективна для достижения высокого качества поверхностного слоя узких щелевых каналов и их расходных характеристик. В работе обоснована возможность технологического обеспечения режимных параметров процесса за счет выявления и учета влияния особенностей комбинированного внешнего и внутреннего воздействия на механизм формирования микрогеометрии поверхностного слоя с требуемыми характеристиками, сформулированы цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке рабочих гипотез и путей выполнения теоретических и экспериментальных исследований. В работе выдвинуты и обоснованы следующие гипотезы:

1. Одиночное использование механического воздействия стабильно не реализуется в каналах сечения высотой менее 2 мм. Электрохимические

Рисунок 1 - Элемент детали с полузамкнутыми щелевыми каналами

же методы эффективны для обработки исходно геометрически правильных и осесимметричных поверхностей, что и позволяет получать заданный расход на предварительно точно обработанных каналах, например, после сверления или прошивания.

2. Обработка по током жидкости с абразивом позволяет исправлять локальные погрешности формы, так как абразив активнее работает в местах уменьшения условного прохода и снимает материал именно в этих местах, нуждающихся в дополнительном снятии материала.

3. Электрохимическое воздействие интенсифицирует процесс механического снятия микровыступов, сокращая время обработки и чрезмерное анодное растворение материала в местах исходных дефектов поверхности.

4. Замер расхода проходящего через канал электролита при электрохимической обработке позволяет контролировать массовый расход жидкости и при достижении I ужного показателя прекращать прокачку электролита. Это обеспечит полушние канала с точным, заранее установленным расходом и позволит вовремя заметить и устранить возможное загрязнение в канале.

5. Сочетание в сдном процессе двух видов воздействий: механико-абразивного и электрох 1мического с одновременным замером расхода абра-зивонасыщенного электролита — позволяет одновременно обеспечивать требуемую геометрическу о форму сечения канала, необходимую шероховатость и заданный расход.

6. За счет изменения концентрации абразива и напряжения тока можно управлять процессом формирования микрогеометрии поверхности с заданными характеристш ами.

Предложенные и обоснованные автором гипотезы позволили разработать новый способ комбинированной электрохимикоабразивной обработки щелевых каналов нмзкоконцентрированной абразивно-жидкостной средой с наложением элект рического тока.

К особенностям предложенного способа относится возможность формирования в узком канале областей разделения или очередности воздействий между aбpaз^ вным и анодным процессом. Первое позволяет повысить стабильность силовых параметров воздействия зерен абразива на всей длине проточной части каналов, работая по явно выступающим вершинам, а за счет ускоренного анодного растворения упрочненных вершин микровыступов достигается большая интенсивность снижения высоты микронеровностей. Но необходимо знать, когда завершить доводку профиля и об отсутствии загрязнения в канале. Предлагаемая технология как раз и направлена на стабилизацию показателей поверхностного слоя обрабатываемой заготовки, самого профиля и расхода сечения за счет взаимоувязанного совмещения операций доводки и контроля. Схема оборудования представленная на рисунке 2 по: воляет реализовать данную технологию.

Последовательность работы установки, представленной на схеме, заключается в следующем. Перед началом электрохимической обработки с добавлением абразивного наполнителя производят замер расхода жидкости через проточной канал. Для этого обрабатываемую деталь помещают в устройство для комбинированной обработки 1, вентили 4 переводят в положение I, включают насос 7, подается жидкость при достижении необходимого напора, соответствующего рабочему давлению по технической документации, который отслеживают по манометру 2, снимают показатели с расходомера 5. Исходя из полученного расхода с использованием расчетных формул выбирают режимы и время обработки.

Рисунок 2 - Рабочая схема установки для комбинированной доводки деталей с мелкоразмерными проточными каналами: 1 - установка для комбинированной обработки; 2 - манометр;

3 - фильтр; 4 - вентиль стендовый трехходовой; 5 - датчик расхода;

6, 7 — насосы; 8 — емкость с абразивом; 9 - емкость с технической жидкостью; 10 - пульт управления

Для проведения комбинированной обработки вентили 4 переводят в положение II, включают насос 6, соединяя магистраль с емкостью с добавлением абразива 8, и включают установку для комбинированной обработки 1. По истечении расчетного времени установку 1 выключают, стендовые вентили 4 переводят в положение I и проводят промывку системы. Включение насосов б и 7, переключение вентилей 4 происходят автоматизировано при помощи пульта управления 10, на пульте также отображаются параметры давления и расхода.

После проведения обработки необходим окончательный контрольный замер расхода. При отклонении полученного расхода от заданных зна-

чений проводят повтор ную комбинированную обработку на скорректированных режимах. Доре гостоящая материальная часть и длительность настройки требуют моде1 ирования процесса на имитаторе (рисунок 3), с помощью которого на стенде можно быстро и экономично установить рациональные параметры все< составляющих комбинированного процесса.

В третьей главе рассмотрены механизм и модель процесса окончательной комбинированной обработки узких каналов с абразивным низкоконцентрированным воздействием и анодным растворением поверхностного слоя. На базе выдвинутых гипотез и разработанного способа (глава 2) исследован механизм обработки, в котором воздействия рассматриваются как обобщенный управляемый процесс формирования требуемых стабильных показателей систем охлаждения с постоянным параметрическим контролем.

Сущность способа состоит в прохождении потока токопроводящей абразивонасыщенной жидкости низкой концентрации через обрабатываемые каналы. На технологическую систему наложен ток низкого напряжения (8-10 В), и она выдерживается при определенном режиме, до получения заданного расхода при юстоянном давлении жидкости. В качестве абразива используют тонкие микропорошки электрокорунда белого МЗ-М5.

Обработка потоком жидкости с абразивом позволяет исправлять локальные погрешности формы, так как абразив активнее работает в местах уменьшения условного прохода и снимает материал именно в этих местах, нуждающихся в допол? ительном снятии материала. Электрохимическое же воздействие интенсифицирует процесс механического снятия материала с микровыступов, сокраи ая время обработки.

При механическом контакте абразивного зерна с выступами снятие материала происходит :а счет микрорезания, а производительность процесса зависит от концентр щии, ориентации, размеров гранул и профиля канала. В случае анодного растворения усилие контакта будет снижаться за счет жидкостной и оксиднс й пленок между заготовкой и гранулой, а также вследствие анодного растворения вершин неровностей на поверхности в местах контакта с гранулой, что снижает сопротивление трения.

Рисунок 3 - Имитатоэ канала в оснастке

Схема контакта гранул обрабатывающей среды с поверхностью канала показана на рисунке 4, анализ которого демонстрирует, что для обеспечения удаления припуска при механическом контакте необходимо следующее:

- сила сопротивления трения Fc должна быть меньше напора потока рабочей среды FnPC;

- ориентированная по потоку результирующая сила сопротивления FCa зависит от угла наклона касательной « к волнистости микропрофиля по длине образующей канала и требует адаптивной стабилизации потока токо-проводящей жидкости с абразивом соответствующей объемной концентрации.

Это так, но сила нормального давления Fm зависит не только от физико-

механических условий контакта гранулы с поверхностью, но и от энергии присоединяющихся при соударении других частиц абразива в потоке. Силы микрорезания абразивом подчиняются теоретико-вероятностному

закону и с большой степенью точности могут измеряться большей частью экспериментально. Случай в ограниченном объеме узкого канала характерен тем, что имеется эффект присоединения массы соударения. Это также приводит и к частичному упрочнению материала в зоне контакта.

Очевидно, что эти хаотичные соударения исходят от свободно движущих продольно в потоке зерен. При определенной скорости потока v движение частиц становится почти прямолинейным. Такое состояние является критическим, потому что в зависимости от конструктивных особенностей канала v определяется вогнутой или выпуклой формой обрабатываемой поверхности, соответственно уменьшаясь или увеличиваясь с учетом угла раскрытия канала. Исходя из траектории свободного движения точки по линии ввиду неощутимого закручивания зерен абразива в канале мы не рассматриваем функцию у(а>), которая определяет угловую скорость гранул

Рисунок 4 - Схема контакта гранул обрабатывающей среды с поверхностью канала

со в зависимости от с ил трения между обрабатывающей средой и поверхностью, а также - от изменения профиля канала, то есть кривой у =/(х) поперек какой-либо образующей в канале. Аналогично задачам движения тел при силах сопротивления, пропорциональных квадрату скорости, вводим функцию у, которая является медленно возрастающей функцией аргумента с асимптотой в виде прямой: цт у - у . В связи с этим принимаем

у = уМ(0,5ка)'), (1)

где к - эмпир ический коэффициент, учитывающий абразивные и реологические свойства гранулированной среды;

Л - глубина отг ечатка абразива;

г - время соударения.

Из выражения 11) при введении параметров канала и среды становится очевидным, что величина замедления потока теоретически довольно мала:

у -Г (2)

тш)

где |х — коэффи диент Пуассона;

атах и атт - максимальное и минимальное значения угла наклона касательной к волнистости микропрофиля по длине образующей канала соответственно.

Дальнейшее решение поставленной задачи с использованием ЭВМ показало хорошее совпадение расчетных данных по определению параметров граничного тренр я, а взаимодействие гранул рабочей среды друг с другом действительно м то. Но реальные эксперименты показывают иногда в зависимости от реологии среды и исходной геометрии микропрофиля увеличение абразивного сопротивления до 20 %. Очевидно, это следствие многих факторов, но, несмотря на наложение тока, непостоянство физико-механических свойств поверхностного слоя проточной части каналов и подающего насосного с борудования, геометрия которых описывается кривыми второго порядка, условие (2) и вышеуказанный 20 % барьер условия обработки все же соблк даются при концентрации абразива не более 2 %.

При использ звании эффекта анодного растворения можно найти усилие сопротивлени \ ЕСа'

Ща

к> (3)

"р

где /г - длина образующей канала;

РКП — сила нор иального давления в зоне контакта;

/- коэффициент повышенного трения;

ъ - припуск на обработку;

кпр - коэффициент взаимного контактного замедления гранул (£11р = 1,0-1,1 в зависимости от концентрации абразива).

Здесь z=hB- hfa , (4)

где hB — высота микровыступов, оставшихся от предыдущей обработки;

hRa — допустимая высота микровыступов по конструкторской документации.

С учетом (2)

fk = К ■ F™ * + ^jКР + ™ .....)■ (5)

То есть в выражении (4) в правой части добавился значительный элемент сопротивления от соударений зерен.

Для различных групп материалов также важен коэффициент, учитывающий возрастание скорости анодного растворения при соударении со стенками канала (изменяется в пределах £„„=1,15-1,3).

В нашем случае концентрация гранул мала (не более 2 %). Тогда понятие средней скорости Vcp съема материала, только учитывающее анодное растворение

V =--к > (6)

с р ПН

пр

где t„р — время удаления припуска.

Выражение (6) должно быть дополнено соответствующими составляющими из (3), что сильно затрудняет работу по расчету режимов. Для удобства технологов принимаем уточненную инженерную формулу, учитывающую влияние всех воздействий

р t к

пр пр

t„p определяют экспериментально на образцах-свидетелях; кан берут для стали 1,15, для нержавеющей стали 1,3; кпр берут из графика зависимости коэффициента взаимного контактного замедления гранул от концентрации абразива. Полученные зависимости позволяют получать удовлетворяющие режимы удаления припуска с помощью комбинированной обработки. С учетом увеличения абразивного сопротивления, описанного выше, давление потока FnPC берут на 20 % больше расчетного усилия сопротивления FCa.

В четвертой главе для проведения экспериментальных исследований по комбинированной обработке щелевых каналов установка для электрохимической доводки была модернизирована и встроена в действующий

проливочный стенд дня замера расходных характеристик. Работа проводилась с плановой обратимостью. Все подсоединения были разъемными.

Сущность работы такой технологической системы заключается в следующем:

— перед началом электрохимической обработки с добавлением абразивного наполнителя производят замер расхода жидкости через щелевые каналы;

— для проведен 1я комбинированной обработки заполняют магистраль токопроводящей жидкостью с добавлением абразива и включают установку для комбинированно! I обработки. По истечении расчетного времени установку выключают и проводят промывку системы;

— после проведгния обработки необходим контрольный замер расхода. При отклонении значений полученного расхода от заданных значений проводят повторную комбинированную обработку на скорректированных режимах.

Замер расхода проходящего через канал электролита при электрохимической обработке позволяет контролировать массовый расход жидкости и при достижении н)жного показателя прекращать прокачку электролита. Это обеспечит получб ние одновременно всех каналов с равномерным, заранее установленным расходом всех сечений. Сочетание в одном процессе двух видов воздействий: механико-абразивного и электро-химического с одновременным замером расхода абразивонасыщенного электролита - позволяет одновременно сохранять требуемую геометрическую форму сечения канала и заданный расход. За счет изменения концентрации абразива и напряжения тока моя но управлять процессом формирования микрогеометрии поверхности с заданными характеристиками.

Таким образом, создана новая технологическая схема оборудования для объединения комбинированного процесса и методов контроля расходных характеристик проточных щелевых каналов с патентованием части технических решений, ч го дает возможность существенного сокращения сроков и трудоемкости т< хнологической доводки новой техники.

Анализ резуль-атов эксперимента, показанных на рисунке 5, позволил определить более оптимальные интервалы времени комбинированной электрохимикомеханнческой обработки (далее - КЭХАО) с учетом обеспечения расхода, задан чого технической документацией. Очевидно, что использование КЭХАО обеспечивает значительно больший процент попадания деталей в заданную область расходной характеристики даже после однократной комбинированной обработки каналов, что продемонстрировано на рисунке 6. Даже р азность между их показаниями становится меньше в пределах одной партии. Для экспериментального исследования режимов КЭХАО в качестве те стирования полости имитаторов двух партий типовых деталей были подвергнуты порезке и металлографическому исследованию (рисунок 7).

Как можно увидеть на рисунках 4-7, производственный и технологический процессы стабильны.

5 10 15 20 25 30 {> с

® После юмбшшромняоЯ обработки » После ЭХО

Рисунок 5 - Зависимость изменения расхода от времени обработки различных партий штатных деталей с каналами

№ КАНАЛА

•= 1 -До ЭХО

— 2 - После ЭХО

— 3 - После комбинированной обработки

Рисунок 6 - Зависимость изменения расхода от времени различных партий

щелевых имитаторов

В пятой главе полученные результаты позволили предложить методику технологического обеспечения качества при изготовлении деталей с щелевыми каналами и передать ее в производство. Методика технологического обеспечения качества включает в себя несколько этапов.

1. Подготовительный этап: отработка технологичности конструкции, где оценивается принципиальная возможность комбинированной обработки каналов, спроектированных разработчиком; расчет технологических режи-

мов и их анализ с учет ом требований к качеству поверхностного слоя и точности узких каналов; отработка режимов на имитаторах канала с измерением полученных показателей относительно расчетных величин; окончательный выбор техно.г огического оборудования и средств технологического оснащения; контроль подготовки исполнителей; контроль техники безопасности и охраны окружающей среды; оформление документации.

2. Этап обработки: изготовление первой детали по серийной технологии с контролем ее псказателей; оценка необходимости корректировки разработанного процессе; введение и согласование изменений в комбинированный процесс; заключение о внедрении в производство комбинированного процесса.

У . *

Рисунок 7 — Сбразцы: обработанный электроэрозией (слева) и комбинированн эй обработкой (справа) после штатных испытаний

3. Заключительный этап: контроль параметров детали и (при необходимости) корректировка режимов; обоснование условий хранения готовых деталей (метод хр анения, консервация, разработка (при необходимости) технологий выполнения вспомогательных операций); разработка нормативных документов (техн ологической документации, инструкций).

По разработан ной технологии были обработаны типовые детали в процессе опробовании технологии в производстве при изготовлении ракетных двигателей. При напряжении и=8-10 В, анодная плотность тока составила 500-5-1000 А/м2. 13 качестве абразива использовали тонкий микропорошок электрокорунда эелого МЗ концентрации 1,8-2 %. Давление рабочей жидкости 1±0,2 МП;, время обработки 18 с, расход 0,79 кг/с. Шероховатость поверхности в канале цилиндра с щелевыми каналами составила 1,2-1,4 мкм, наклеп поверхностного слоя - 3,3^-3,4 %, стабильность расходных характеристик на рабочих давлениях согласно КД по пазам одной детали 2-3 %, в партии хеталей - 4-7 %, что отвечает заданным техническим требованиям к проточным щелевым каналам. Для определения возможности использования разработанного метода для повышения надежности высоко-

напорных систем охлаждения в таблице приведена статистика проявления дефектов при ресурсных испытаниях деталей с щелевыми каналами.

Из таблицы видно, что в результате применения нового способа комбинированной обработки количество проявления дефектов по причинам различного характера в общем числе отказов агрегатов снизилось в среднем на 16 %. Это подтверждает практическую эффективность предлагаемых разработок для повышения надежности машин, работающих в экстремальных условиях под воздействием знакопеременных нагрузок, газовой эрозии и водородной межкристаллитной коррозии.

Статистика проявления дефектов нагруженных деталей с щелевыми каналами

Причина Количество дефектов эксплуатационного характера в общем числе отказов агрегатов, %

Каналы после традиционной обработки Детали после обработки новым способом

Засорение каналов 21 16

Газовая эрозия 9 7

Межкристаллитная коррозия 2 2

Водяная коррозия 3 5

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В ходе работы была спроектирована и реализована технология, обеспечивающая повышение эксплуатационных характеристик для высоконапорных систем охлаждения, объединяющая в единую операцию избирательную комбинированную обработку узких щелевых каналов токопрово-дящей средой, обладающей абразивными свойствами, и одновременный параметрический контроль рабочего тела.

Выводы

1 Научно-обоснованный выбор схемы технологического обеспечения эксплуатационных показателей щелевых каналов на основе совмещения параметрического испытания с комбинированной обработкой доказал, что механизм формирования ориентированного потока абразивных частиц низкой концентрации эффективен для стабилизации эксплуатационных показателей проточных каналов при одновременном воздействии низковольтного электрического поля.

2. Создан новый способ комбинированной электрохимикоабразивной обработки узких щелевых каналов, повышающий стабильность расходных характеристик деталей после комбинированной обработки, реализуемый в

экспериментально обоснованных граничных значениях концентрации абразивного наполнителя. Это обеспечивает эффективность анодного воздействия при комбинирова шой обработке средой с управляемой энергией её механического воздейст шя за счет дозированных абразивных свойств.

3. Обоснование рабочих диапазонов технологических режимов комбинированной обработки узких проточных каналов абразивно насыщенной средой низкой концентрации в условиях анодного растворения материала, что позволило разработать режимы процесса комбинированной обработки щелевых каналов с комбинированным электрохимикоабразивным воздействием, обеспечивающим избирательность удаления микровыступов поверхности для обеспечения эксплуатационных показателей, недостижимых ранее, при снижении технических издержек, а именно: шероховатость поверхности в щелевом канале цилиндра составила 1,2—1,4 мкм, наклеп поверхностного слоя - 3,3-^3,4 %, стабильность расходных характеристик по каналам одной дета л г 2-3 %, в партии деталей - 4-7 %, что отвечает заданным техническим требованиям к проточным поверхностям деталей исследуемых изделий.

4. Разработаннме закономерности технологического управления комбинированным воздействием потока токопроводящей среды с абразивом низкой концентрации в электрическом поле позволили рассчитать эффективные режимы протгкания процессов комбинированной обработки с учетом ограниченных усповий перемещения рабочей среды в щелевом канале, а именно: при напр*жении £/=8-10 В, анодной плотности тока 500-1000 А/м~. В качестве абразива использовали тонкий микропорошок электрокорунда белого МЗ с ко щентрацией 2 %.

5. Разработаны средства технологического обеспечения качества комбинированной обэаботки щелевых каналов с комбинированным элек-трохимикоабразивны л воздействием, позволяющие совместить операции доводки щелевого катала и контроля высоконапорных расходных характеристик, учитывающие закономерности проектирования специальных устройств для испытания деталей с проточными каналами, которые имеют блочную конструкци о, обеспечивающую быструю реновацию и обеспечивающую использование результатов для решения других задач.

6. Разработан г внедрен технологический процесс комбинированного формирования канал эв деталей современных энергетических установок с мелкоразмерными щелевыми каналами путем избирательного механического воздействия на микровыступы и локально усиливаемого анодного растворения в зоне обработки, что позволило повысить надежность и ресурс сложных машин новых поколений.

7. Показаны п)ти повышения производительности и качества (за счет совмещения доводоч 1ых операций и контроля) эксплуатационных характеристик проточных поверхностей, что обеспечивает реализацию проектных показателей перепек ивных изделий и способствует росту конкурентоспо-

собности отечественного машиностроения, особенно в авиационно-космической отрасли. В частности, показаны возможности и методология использования комбинированного электрохимикоабразивного метода обработки для технологического обеспечения эксплуатационных характеристик деталей с проточными щелевыми каналами различного технологического оборудования добывающей отрасли и перспективной транспортной техники.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в рецензируемых научных журналах

1. Коденцев, С.Н Технологические возможности комбинированной обработки в обеспечении расходных характеристик деталей с мелкоразмерными проточными каналами [Текст] / С.Н. Коденцев, Г.А. Сухочев, А.О. Родионов // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2013. — № 7. - С. 4548.

2. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей с щелевыми каналами [Текст] / Г.А. Сухочев, А.О. Родионов, Е.Г. Смольянникова, С.Н. Коденцев // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2014. - № 4(34). - С. 20-25.

3. Эксплуатационно ориентированная комбинированная обработка щелевых каналов [Текст] / А.О. Родионов, Г.А. Сухочев, Е.Г. Смольянникова, С.Н. Коденцев // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2014. - № 6. — С. 45-48.

Статьи и материалы конференций

4. Небольсин, Д.М. Экспериментальное исследование комбинированной обработки глубоких полостей и отверстий [Текст] / Д.М. Небольсин, Г.А. Сухочев, А.О. Родионов // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2011. - Вып. 4. - С. 60-64.

5. Родионов, А.О. Технологические возможности обработки прерывистых поверхностей комбинированными методами [Текст] / А.О. Родионов, Г.А. Сухочев, A.C. Рекецкий // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2011. - Вып. 4. - С. 82-86.

6. Родионов, А.О. Комбинированная обработка внутренних поверхностей прецизионных деталей гидроаппаратуры [Текст] / А.О. Родионов, Г.А. Сухочев // XVII Макеевские чтения: труды Российской науч.-техн. конф., посвященной 87-летию со дня рождения академика В.П. Макеева. — Воронеж: ОАО КБХА, 2011. - С. 45-47.

7. Коденцев, С.Н. Экспериментальное исследование электрохимической доводки форсунок [Текст] / С.Н. Коденцев, Г.А. Сухочев, А.О. Родионов // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. — Воронеж: ВГТУ, 2013. Вып. 12-С. 65-69.

8. Технологиче;кие возможности электрохимической обработки мелкоразмерных отверстий [Текст] / Г.А. Сухочев, А.О. Родионов // Обеспечение качества продукц in на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2013. - Вып. 12-С. 70-74.

9. Формирован ie кромок пазов и отверстий в высокоточных деталях комбинированной отделочно-упрочняющей обработки труднодоступных пазов и каналов [Текст] / Г.А. Сухочев, А.О. Родионов, С.Н. Коденцев, Е.Г. Смольянникова, Ю.Е. Фролова // Современные технологии производства в машиностроении: сб. гауч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2013. - Вып. 7. - С. 4-10.

10. Родионов, у V.O. Формирование кромок пазов и отверстий в высокоточных деталях ракетных двигателей комбинированными методами обработки [Текст] / А.О. Родионов, Е.Г. Смольянникова//Материалы XIX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. - Королев: РКК «Энергия», 2013. - Ч. 5. - С. 110-114.

11. Сухочев, Г.А. Технологическое обеспечение качества прерывистых поверхностей гидрооборудования комбинированной обработкой [Текст] / Г.А. Сухочеп, A.B. Капустин, А.О. Родионов // Насосы & оборудование. -Киев: ДП ИПЦ «Таю Справи», 2013. -№ 4(81)-5(82). - С. 78-81.

12. Технологи» еские возможности комбинированных и аддитивных процессов в формообразовании проточных поверхностей гидрооборудования [Текст] / A.B. Куювкин, А.И. Суворов, Г.А. Сухочев, А.О. Родионов // Насосы. Турбины. Системы. - Воронеж: ООО ИПЦ «Научная книга», 2014. -№ 1.-С. 53-58.

13. Сухочев, Г А. Комбинированная обработка деталей с щелевыми проточными каналами [Текст] / Г.А. Сухочев, А.О. Родионов // Тенденции и инновации современной науки: статьи, тезисы докладов Всерос. науч.-техн. конф. - Трехгорный: ГТИ НИЯУ МИФИ, 2014. - С. 79-81.

14. Родионов, А.О. Механизм комбинированной электрохимикоабра-зивной обработки щепевых каналов [Электронный ресурс] / А.О. Родионов // Воронежский научно-технический вестник: электронный научный журнал. - Воронеж: ВГЛТА, 2014. - № 2(8). - С. 89-96. Режим доступа: http://vestnikvglta.ru /hdex/arkhiv nomerov/0-19.

15. Родионов, /V.O. Комбинированная обработка щелевых каналов деталей ракетных двигателей [Текст] / А.О. Родионов, Г.А. Сухочев, С.Н. Коденцев // Конструктивные особенности и технология изготовления деталей ракетных двигателей нового поколения: сб. науч. тр. отраслевой конф.; под ред. И.Т. Коптева, B.1I. Смоленцева. - Воронеж: ВМЗ, 2014. - С. 189-197.

Подписано в печать 23.10.2014. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,3. Тираж 90 экз. Заказ № 165

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14