Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ исследований в области высокоэффективного группового изготовления каналов малого сечения 11
1.1 Конструктивные особенности и назначение фильтровальных элементов тепловых двигателей 11
1.2 Методы изготовления каналов в фильтрах 21
1.3 Групповое изготовление отверстий в фильтрах 58
Анализ состояния вопроса и задачи исследований 64
Глава 2 Методика решения поставленных в работе задач 67
2.1 Научные гипотезы 67
2.2 Обоснование выбора объектов исследования 68
2.3 Выбор материалов для изготовления электродов инструментов и образцов для экспериментов 70
2.4 Экспериментальное оборудование 73
2.5 Научная база для проведения исследований 76
2.6 Методика проведения экспериментов 77
2.7 Алгоритм выполнения исследований 79
Выводы по главе 83
Глава 3 Механизм управления процессом электроэрозионной и комбинированной многоэлектродной прошивки 84
3.1 Особенности протекания процесса многоэлектродной прошивки 84
3.2 Закономерности формирования плавных скруглений на угловых участках электродов 86
3.3 Модели массовыноса при многоэлектродной электроэрозионной прошивке отверстий в фильтрах 94
3.4 Механизм и параметры течения рабочей среды через зазоры 99
Выводы по главе 102
Глава 4 Режимы и технология изготовления фильтров тонкой очистки горючих смесей 105
4.1 Технологические особенности процесса прошивки отверстий малого диаметра 105
4.2 Место и возможности интенсивной прошивки глубоких отверстий в фильтрах 106
4.3 Конструкция, расчет и изготовление многоэлектродных Инструментов 111
4.4. Пути повышения точности за счет защиты материала инструмента от факторов процесса 120
4.5 Новые направления по созданию способов и устройств для прошивки глубоких отверстий малого диаметра 127
4.6. Особенности построения технологии (ТП)
многоэлектродной прошивки 132
4.7 Оценка технологических результатов многоэлектродной прошивке отверстий многоугольным электродом 137
4.8 Перспективы использования результатов исследований в машиностроении 144
Выводы по главе 155
Основные результаты и выводы 157
Список литературы
- Методы изготовления каналов в фильтрах
- Выбор материалов для изготовления электродов инструментов и образцов для экспериментов
- Закономерности формирования плавных скруглений на угловых участках электродов
- Конструкция, расчет и изготовление многоэлектродных Инструментов
Введение к работе
Актуальность темы. В текущий период промышленность страны переходит на гибкоструктурное производство, базирующееся на конкурентоспособных технологиях с высоким уровнем адаптации к запросам потребителя. Такой подход традиционно используется при изготовлении сложных изделий в авиационной и космической отрасли, где программа выпуска продукции относится к мелкосерийному (а в опытном производстве - к единичному) производству. Здесь требуется обеспечить высокий уровень качества объектов при стоимости продукции не выше сложившихся мировых цен на аналогичные изделия.
Основные детали наукоемких узлов транспортной техники могут быть изготовлены только с применением электрических методов обработки, где доля трудоемкости таких деталей, как лопатки, турбонасосные агрегаты, фильтры двигателей составляет значительную часть общих трудозатрат. Поэтому снижение операционного времени за счет многоинструментальной (многоэлектродной) обработки позволяет не только ускорить запуск в производство новых изделий, но и снизить затраты на выполнение операций с использованием дорогостоящего оборудования для электрических методов обработки. Большинство выполненных научных исследований касались многоэлектродных электроэрозионных технологических процессов, где рекомендовалось иметь глубину отверстий до 8 -10 диаметров, использовать до 10 инструментов при подаче рабочей среды через электроды под давлением до 2-3 МПа. В случае изготовления фильтрующих элементов для тепловых двигателей, где шаг между каналами менее двух межосевых расстояний, эквивалентный диаметр отверстий может быть 0,2 - 0,3 мм с глубиной до 20 диаметров и стабильностью размеров сечений в пределах ±10%. Число таких отверстий (необязательно круглого сечения) может составлять десятки тысяч, поэтому количество электродов в одном инструменте должно измеряться сотнями и тысячами. При этом практически не осуществимо подавать рабочую среду через тонкие электроды, придавать им индивидуальное вращение, соединять электроды в сборном инструменте.
Для решения актуальной проблемы получения качественных фильтров тепловых двигателей с большим расходом газожидкостных (в ряде случаев криогенных) сред требуется переход на новые технологические режимы и способы многоэлектродной комбинированной обработки с наложением электрического поля, где необходимо найти решение задач по обеспечению высоких технологических показателей процесса при ресурсосберегающей прошивке одним инструментом тысяч сверхглубоких точных отверстий различного сечения, используя в основном имеющиеся или модернизированные средства технологического оснащения.
Работа выполнялась по тематическим карточкам Роскосмоса в 2008-2014 годах в рамках национального проекта "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" (Постановление Правительства РФ № 568 от 26. 07. 2008) и программы Рособразования "Проведение поисковых научно-исследовательских
работ по направлению "Ракетостроение" (Приказ Рособразования № 294 от 23.03.2009).
Целью работы является создание способов и технологии комбинированной одновременной прошивки сверхглубоких точных отверстий цельным инструментом с монолитными электродами, раскрытие механизма обеспечения стабильности протекания процесса многоэлектродной обработки, разработка методики выбора параметров и расчета технологических режимов, создание типовых технологий с адаптацией их к фильтрам тонкой очистки, в том числе для криогенных и газожидкостных рабочих сред.
Научная проблема, требующая решения: научное обоснование возможности формирования глубоких отверстий малого диаметра технологичными многогранными групповыми инструментами-электродами с организацией течения рабочих сред через узкие параллельные каналы и управлением электрическим полем для равномерного съема припуска многоэлектродным монолитным инструментом
В работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Исследование факторов, ограничивающих получение электрическими методами требуемых технологических показателей при многоэлектродной прошивке глубоких и сверхглубоких точных отверстий в фильтрах тонкой очистки различных сред.
-
Теоретическое и прикладное обоснование возможности группового получения отверстий различной геометрии монолитным технологичным инструментом.
3. Моделирование процесса удаления продуктов обработки глубоких отверстий
и разработка механизма подачи рабочих сред через щелевое межэлектродное
пространство.
4. Создание нового монолитного многоэлектродного технологического
инструмента, адаптированного к серийному электроэрозионному и электро
химическому оборудованию.
5. Разработка режимов и технологии одновременного изготовления отверстий в
фильтрах монолитным инструментом, обеспечивающих интенсификацию процесса
прошивки и достижение высоких технических и экономических показателей
процесса.
Методы и достоверность исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием собственных патентов, базовых положений по течению через узкие каналы газожидкостных сред, теории электрофизических, электрохимических и комбинированных методов обработки. Прикладные исследования выполнялись на созданных экспериментальных установках и на промышленном оборудовании с использованием современной аттестованной измерительной и вычислительной техники. Достоверность результатов работы подтверждена экспериментальными исследованиями и хорошей сходимостью расчетных параметров с данными промышленных испытаний форсунок на двигателях космических аппаратов.
Научная новизна включает:
1. Механизм взаимного воздействия на протекание комбинированного процесса
электрического поля и жидкой рабочей среды при большом углублении зоны
обработки, переменных гидравлических сопротивлениях узких щелей между
электродами с изменяемой длиной тракта по мере износа рабочей части
электродов, учитывающий выравнивание параметров напора на входе и потери на
выходе среды из щелей с переменной трассой.
2. Теоретическое обоснование параметров течения газожидкостных сред при
различном соотношении фаз и их агрегатного состояния с учетом адаптивного
управления противодавлением на выходе рабочих сред из зоны обработки.
3. Модель формирования групп отверстий требуемой геометрии электродами с
сечениями, технологичными для их изготовления в монолитном инструменте.
Модель отличается управляемым изменением плотности электрического ПОЛЯ в
местах сопряжения участков сечения электродов на величину, обеспечивающую
устранение концентраторов напряжений в фильтре за счет ликвидации острых
кромок в отверстиях.
Практическая значимость работы
1. Создание технологического процесса одновременной глубокой и
сверхглубокой комбинированной обработкой отверстий без концентраторов
напряжений с управляемым изменением геометрии сечений для интенсивного
получения кондиционных фильтров со стабильными расходными харак
теристиками газожидкостных (в частности, криогенных) сред.
-
Разработка новых, на уровне изобретений, способов и технологичных электродов-инструментов для получения многоэлектродной обработкой групп отверстий с возможностью быстрой замены рабочей части по предложенным в работе способам.
-
Технологические режимы для многоэлектродного изготовления отверстий малого сечения и большой глубины, позволившие максимально увеличить применение серийных средств технологического оснащения и сократить потребность в новом дорогостоящем оборудовании в основном зарубежных поставок.
Личный вклад соискателя:
-
Раскрытие механизма интенсивной прошивки индивидуальным электродом, работающим в цельном инструменте, при большом количестве одновременно обрабатываемых глубоких отверстий.
-
Научное обоснование и реализация возможности формирования в детали близко размещенных отверстий с малым сечением без острых кромок электродами в форме многоугольников, что открыло возможность создания новых технологичных конструкций инструментов, ускорить и удешевить их изготовление, а также расширить область эффективного использования процессов с наложением электрического поля при многоэлектродной обработке точных миниатюрных изделий с повторяющейся формой отверстий.
3. Раскрытие механизма интенсификации процесса многоэлектродной
обработки путем управления режимами массовыноса продуктов обработки через
лабиринтные каналы с линейным течением жидкости.
4. Разработка новых технологичных конструкций инструментов с требуемой
траекторией перемещения рабочей среды через лабиринтные каналы и
гравитационным управлением величиной противодавления, обеспечивающим
сплошность потока жидкости в зоне обработки и поддержание интенсивности
съема материала всеми электродами.
-
Раскрытие особенностей течения жидких сред с переменным газонаполнением через лабиринтные каналы с длиной, изменяющейся в процессе прошивки за счет углубления электродов и их износа.
-
Проектирование технологического процесса с режимами, учитывающими особенности многоэлектродной обработки, и создание средств технологического оснащения для интенсификации прошивки глубоких и сверхглубоких точных отверстий малого сечения, применяемых в фильтрах тонкой очистки рабочих сред тепловых двигателей, в химическом и другом машиностроении.
-
Участие в проектировании, изготовлении, отладке средств технологического оснащения и их внедрения на промышленных предприятиях.
Апробация работы. Результаты работы и ее составные части представлялись и обсуждались на следующих конференциях: III Международная научно-техническая конференция ССП-2010 (Воронеж, 2010); VIII Международная конференция молодых специалистов организаций ракетно-космической, авиационной и металлургической промышленности России (Королев, 2010); XII всероссийская научно-техническая конференция и школа молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии» (АКТ-2011) (Воронеж, 2011); II молодежная научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника: исследования, разработки, пути решения актуальных проблем», посвященной 65-й годовщине победы в Великой Отечественной войне (Москва, 2010 г.); XIX Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию первого полета человека в космос (Королев, 2011); XVII Макеевские чтения -Российская научно-техническая конференция, посвященные 87-летию со дня рождения академика Виктора Петровича Макеева (Воронеж, 2011); VII международная научно-практическая конференция «Перспективные разработки науки и техники» (Польша, г. Przemysl, 2011 г.); V международная научно-практическая конференция «Студент. Специалист. Профессионал» (ССП - 2012) (Воронеж, 2012); XV международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы техники и технологии» - «Технология-2012», посвященной 120-летию со дня рождения Н.Н. Поликарпова (Орел, 2012); IV международная научно-техническая конференция «ТМ-2012» (Рыбинск, 2012 ), V International Conference «Science and Education» 27 - 28.02.2014.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы прошли проверку в цехах ВМЗ - филиала ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и внедрены в серийное производство форсунок для ракетных двигателей а также на НПП «Гидротехника», ФПК «ВСЗ - Холдинг» с реальным экономическим эффектом.
Материалы проведенных исследований используются в учебном процессе ЛГТУ, ВГТУ, Юго-Западного государственного университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных работ общим объемом 7,8 п. л., где соискателю принадлежат 3,2 печатного листа. В их число входит 6 публикаций в изданиях по списку ВАК РФ, 15 авторских свидетельств и патентов на способы, устройства и полезные модели.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - обоснование методов очистки жидкостей; [2] - совместимость электрических методов обработки с применяемыми процессами изготовления точных поверхностей; [3] - описание процесса контактно-электрохимической обработки; [4] - формапизация модели массо-выноса; [5] - проектирование технологии изготовления фильтров цельными многоэлектродными инструментами; [6] - проектирование процесса течения жидкости в узких межэлектродных щелях; [7] - интенсификация процесса обработки применением низкочастотных вибраций инструмента; [10] - требования к очистке рабочих сред.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений, списка литературы из 130 наименований. Работа изложена на 188 страницах с 63 рисунками и 9 таблицами.
Методы изготовления каналов в фильтрах
Включает следующую последовательность: - перед поступлением в систему питания двигателя топливо проходит предварительную очистку в емкостях, в которых под действием гравитационных сил из него выпадают наиболее крупные частицы. В зависимости от требуемого показателя очистки для каждого вида двигателя устанавливают минимальную продолжительность нахождения топлива в емкостях до его заливки в баки; - из отстойной емкости топливо поступает в расходные баки и проходит через один или несколько устройств, производящих принудительное отделение загрязняющих частиц, в том числе под действием центробежной силы; - в горловинах расходных баков должны быть установлены фильтры в виде сеток, различных фильтрующих набивок, других элементов. В баках предусматривают емкость для отстоя топлива, а заборную трубку с предохранительной сеткой выносят на 50-100 мм от дна. Так устраняют возможность попадания в систему двигателя крупных частиц. На выходе из бака может быть установлено устройство, предотвращающее случайное попадание частиц в магистраль питания двигателя; -после бака очистку ведут в грубых фильтрах в линии подачи топлива. Может быть один или несколько фильтров очистки. Их располагают как до, так и после подкачивающего насоса. Тонкость отчистки этих фильтров составляет от 50 до 150 мкм. Фильтры грубой очистки задерживают в основном, крупные частицы, поэтому они обеспечивают лишь надежность работы топливной аппаратуры, предотвращая возникновения неисправностей аварийного характера (задиров) магистралей форсунок, разрывов топливопроводов и других явлений, вызываемых попаданием в топливную аппаратуру крупных частиц механических примесей); - тонкую очистку топлива производят в фильтрах, расположенных перед форсунками. Их устанавливают по одному или по два последовательно. Они обеспечивают тонкость отсева от Здо 25 мкм и полноту отсева до 98 %. Фильтры тонкой очистки удерживают основную часть примесей, поэтому оказывают решающее влияние на износ деталей топливной аппаратуры и являются наиболее ответственным узлом системы очистки; перед форсунками могут быть установлены дополнительные фильтры. Такие фильтры предназначены для отсева частиц стружки, окалины, фильтрующих материалов и других частиц, которые могут попасть в топливо после его выхода из фильтров тонкой очистки - для очистки топлива от воды во всех топливных системах предусматривают устройства, установленные в емкостях, расходных баках, а также в фильтрах грубой и тонкой очистки. Воду сливают через спускные краны, где имеются дополнительные емкости - отстойники в виде углублений определенной формы в днищах баков и корпусах фильтров. Для улучшения очистки топлива от воды в наземных условиях можно применять центрифуги или придавать фильтрующим перегородкам гидрофобные свойства.
Фильтры предварительной очистки. Предназначены для удержания крупных механических частиц. Их устанавливают в емкостях для хранения и транспортировки топлива, в заливных горловинах баков, на заборных трубах расходных емкостей. Они представляют собой металлические сетки, обтягивающий металлический каркас листового материала, заливные горловины или заборные трубки. Сетки изготавливают цельными, квадратного или саржевого плетения. Материалом для них служит нержавеющая сталь, никель, фосфористая бронза, медь, латунь, монель-металл, обычная сталь с антикоррозионным покрытием и другие металлы.. Сетки фильтров предварительной очистки выполняют с размерами ячеек в свету от 25x25 мм до 0,5x0,5 мм, круглого-диаметром от 0,2 мм до 0,5 мм.
Для защиты внутренней поверхности баков от попадания пыли в горловинах имеются различные фильтрующие набивки, главным образом из мягкой проволоки, которую для лучшего улавливания пыли и защиты от коррозии промасливают. Эти фильтры улавливают частицы размером от 5 до 20 мкм.
В конструкции фильтров стационарных двигателей могут быть установлены одинарные фильтры, включенные параллельно. Иногда используют два или несколько фильтров в одном корпуса с параллельным присоединением к линии низкого давления. Имеются корпуса, в которых в отдельных отсеках установлены фильтры грубой и тонкой очистки.
При параллельном присоединении фильтров каждый из них имеет на входе и выходе топлива клапаны выключения. На линии подвода жидкости к фильтрам может быть установлен трехходовой кран, при повороте которого топливо может подводиться к любому фильтру. При этом отключается фильтр, подлежащий промывке.
В системе низкого давления предусмотрен перепуск топлива, который можно осуществлять как до фильтра тонкой очистки, так и после него. При перепуске до фильтра тонкой очистки через него проходит меньше топлива. Перепуск до фильтра тонкой очистки вызывает возрастание сопротивления и ухудшению наполнения насоса высокого давления. При перепуске топлива после фильтра тонкой очистки перепад давлений в нем увеличивается, что ухудшает очистку топлива и сокращает срок службы фильтрующего элемента. Фильтры тонкой очистки размещают после подкачивающего насоса, так как они имеют большое гидравлическое сопротивление, и протекание через них большого количества топлива без принудительного нагнетания невозможно.
Выбор материалов для изготовления электродов инструментов и образцов для экспериментов
Выходной участок отверстия имеет на входе фаску или конус. Высоту и угол раскрытия конуса регулируют изменением угла конуса на электроде -инструменте глубиной прошивания заходного участка. Операцию прошивания мелких отверстий обычно выполняют на автоматических станках одновременно несколькими электродами - инструментами. Погрешность форм таких отверстий не превышает нескольких микрометров, шероховатость поверхностей для отверстий диаметром до 1 мм соответствует Ra = 0,16...0,32 мкм, при больших диаметрах - Rz = 10... 30 мкм. Погрешность межосевого расстояния не превышает 5 мкм. Время обработки отверстия диаметром d= 0,02...0,04 мм составляет около 120 с, что в 3...6 раз меньше, чем при сверлении. За счет уменьшения усилий, действующих на электрод - инструмент, устраняется искривление осей, что позволяет снизить брак при изготовлении деталей, который при сверлении достигает 30...40 %.
Этим методом прошивали отверстия диаметром 0,2-0,5 мм в различных труднообрабатываемых сплавах [22,121].
В кварцевой или стеклянной трубке 7 (рисунок 1.20), являющейся инструментом, установлена токопроводящая металлическая втулка 2, являющаяся катодом. Через суживающееся сопло 3 в направление к заготовке - аноду 4 прокачивается под давлением до 0,5 МПа раствор электролита 5. Инструмент -катод подается в направлении прошивки со скоростью vK.
В качестве электролита целесообразно использовать 10-15 % водный раствор соляной кислоты, обладающий высокой электропроводностью и образующий хорошо растворимые соединения с металлами, входящими в состав практически любого сплава из одного семейства (Fe, Ni, Cr).
Общий характер анодного растворения в струйной электрохимической прошивке аналогичен процессам размерной электрохимической обработки, но гидродинамический режим процесса специфичен, что объясняется значительным разнесением в пространстве анода и катода, своеобразной схемой движения раствора и, главное, нестационарной геометрией гидравлического тракта.
Капиллярность инструмента и значительное межэлектродное расстояние, являясь причинами большого омического сопротивления между анодом и катодом (несколько тысяч Ом), делают необходимым применение высоких рабочих напряжений (до 1 кВ), что в свою очередь вызывает интенсивное нагревание раствора. Поэтому процесс струйной электрохимической прошивки достаточно термически напряженный, и в некоторых рабочих режимах средняя температура раствора в сопле капиллярной трубки поднимается до 40-50 С, а в кольцевой полости отверстия - до 70-80 С. В более напряженных термических режимах указанные явления вызывают местное частичное или полное кипение раствора и, как следствие прерывание процесса и прекращение обработки. По результатам проведенных исследований были подобраны [121,50] оптимальные составы электролитов, режимы прошивки для конкретных обрабатываемых материалов. Например, при прошивке отверстий в 10%-ном водном растворе соляной кислоты в славе Ж6СУ толщиной 2,7 мм кварцевым капилляром с наружным диаметром 0,25 мм, при напряжении между катодом и анодом 600 В, токе 0,15 А и давлением прокачки электролита 0,5 МПа были получены скорость прошивки 3 мм/мин, диаметр отверстия на входе 0,33мм, а на выходе 0,3 мм, шероховатость обработанной поверхности Ra - 0,8 мкм.
Электроды - инструменты для схемы прошивания изготавливают [121] в зависимости от вида обработки: изготовление отверстий металлическим инструментом или струйным методом, углубление с постоянным и изменяющимся периметром, конических, сферических и других поверхностей, кольцевая вырезка (трепанация) и др.
Отверстия при прошивании могут быть цилиндрическими, коническими сквозными или глухими.
В большинстве случаев электрод (рисунок 1.21) выполняют в виде трубки 7, изолированной снаружи покрытием 2. Со стороны рабочего торца обычно делают бурт 3, предохраняющий покрытие 2 от разрушений струей электролита и продуктами обработки.
Закономерности формирования плавных скруглений на угловых участках электродов
В процессе электроэрозионной обработки изменяется собственная частота колебаний технологической системы, поэтому частота вибраций инструмента должна постоянно подстраиваться к системе с учетом ее текущего состояния. Только в этом случае можно обеспечить интенсивный массовынос продуктов обработки по всей глубине прошивки отверстия. На рисунке 3.9 стрелками показан возможный путь движения жидкости.
Измерения отверстий в форсунках (рисунке 3.11) показывают, что у всех из них наблюдается незначительная эллипсность, т.е. имеет место различное сопротивление течению рабочей среды в пределах кольцевого сечения между стенками отверстия в заготовке (5 на рисунке 3.9) и электродом 4. Следовательно, боковой зазор (,) будет различным по сечению и по той стороне сечения, где зазор больше. Должны устремиться на вынос из торцевой части электрода продукты эрозионного процесса.
Изменение диаметра отверстия 0 0,5±0,05 в форсунке по длине канала. 1 - продольное сечение отверстия; 2 - поперечное сечение. А; Б - границы полей допусков. Анализ рисунка 3. 11 показывает, что при измерении отверстий во взаимно перпендикулярных осях стабильно образуется местный увеличенный зазор, где сопротивление потоку жидкости будет ниже. Это подтверждает правомерность механизма течения рабочей среды, принятого на рисунке 3.9.
В [22] рекомендуется использовать для прошивки высокие (до 100 и более МПа) давления. Такие рекомендации неправомерно распространять на многоэлектродные инструменты без внутренних отверстий для подачи жидкости.
В работе приведены результаты физического и математического моделирования электроэрозионной многоэлектродной прошивки глубоких отверстий малого диаметра, что характерно для фильтров тонкой очистки горючих смесей тепловых двигателей.
Из рисунка 3.9 видно, что повышенное давление в точке «г» будет тормозить течение через боковой зазор на участке «в - г». Поэтому давление Pi необходимо рассчитывать из условия преодоления линейных потерь в пазах инструмента на их длине «L», местных потерь в местах поворота потока (выход из пазов, переход в зазоры Sm; Se и др.). Очевидно, что на этот показатель влияют импульсы при обработке, что должно быть учтено коэффициентом К] (К]=\,5 - 1,7). В рассматриваемом случае поток можно считать ламинарным, т.к. по [102] при малых зазорах турбулизация начинается на глубине более 40 диаметров, что выходит за приделы изучаемых нами отверстий. Тогда линейные коэффициенты гидравлического сопротивления (А) можно принять постоянными. P K A-L + ng), (3.12) где п - количество местных сопротивлений; д - коэффициент местных потерь (справочный материал). Если не учитывать загрязняющих частиц в жидкости на выходе в зазор Se (рисунок 3.9), то давление Pi на участке «а - б» можно считать постоянным. Тогда на участке «б - в» давление будет нарастать от Pi до Р? В [122] приведены расчетные зависимости для оценки дополнительного давления (Рд, МПа), возникающего за счет разрядов при электроэрозионной обработке. Рд = 9,8 104(0Д567 ГГ3 + 1), (3.13) где Ni - безразмерный параметр, учитывающий расстояние до фронта ударной волны. Учитывая малую величину зазора ST (рисунок 3.9) можно воспользоваться эмпирической формулой: Рд = 9,8 104(75- + PJ, (3.14) где TV; - мощность единичного импульса; г? - радиус газового пузыря, возникшего в результате импульса. В первом приближении г;=5У. (ST - торцевой межэлектродный зазор). 100 В [122] приведены результаты численных расчетов для минимальных значений Рд и Рж при энергии импульса 0,54 Дж. Рд =1,725 МПа, Рж =1,42 МПа.
На участке «в - г» (рисунок 3.9) давление снижается от Р2 до Рз (Рз, как правило, близко к Pi). Если принять, что подводимый поток Pi разделен с удаляемым (давление Рз), то можно установить скорость потока, необходимую для очистки зоны обработки («б - в» на рисунке 3.9) от загрязнений.
При скорости потока в точке «в» Vi и боковом зазоре Se (приближенно принимаем S const) скорость течения струи с одной цепочкой газовых пузырьков можно оценить по зависимости
По [102] Fm = 0,3 - 1,0 МПа (в зависимости от глубины прошивки), т.е. давление Рд и Рд (уравнение (3.13), (3.14) должны обеспечивать стабильный массовынос продуктов обработки. Однако с учетом коэффициента полезного использования энергии (он теоретически не может быть более 0,41), случайности положения вектора действия разряда, состояния рабочей среды, геометрии межэлектродного пространства реальное давление в начале выноса продуктов обработки (точка «в» на рис. 1) значительно превышает расчетные величины (до 2 - 3 раз). Эксперименты показали, что при глубине отверстий более 15 диаметров давление Р2=4 - 10 МПа. Эта величина возрастает по мере углубления отверстия и при увеличении числа электродов в инструменте.
Конструкция, расчет и изготовление многоэлектродных Инструментов
Целью этого этапа исследований является количественный анализ результатов теоретической части работы и возможность стабильного использования материалов для серийных технологических процессов изготовления фильтров. Показана возможность применения группы электродов в одном монолитном блоке при изготовлении за один ход инструмента до тысячи отверстий малого диаметра, разработаны рекомендации по регулированию давления подачи рабочей жидкости и обоснованию минимально необходимого давления, приведены экспериментальные сведения по изменению размеров группы отверстий в партии деталей и по глубине канала. Последнее позволяет назначать шаг между пазами в многоэлектродном инструменте и учесть постоянную погрешность, вызванную износом инструмента (рисунок 4.14).
Диаметр отверстия, мы 5 7 И 13 15 Номер отверстия Рисунок 4.14 Диаметр отверстий по оси "х" на выходе инструмент 1 - номинальный размер; 2; 3 - нижнее и верхнее предельное отклонение радиуса; 4 - наибольшие измеренные значение диаметра (выборка не менее 8 деталей); 5 -наименьшие диаметры. На рисунке 4.14 приведены сведения о стабильности диаметров отверстий по оси "х" для минимально рекомендуемой величины 0,2 мм (ниже этого целесообразно использовать другие технологические приемы) и наиболее употребительного диапазона 0 0,3 мм. Отверстия измерялись по прямой (они расположены в шахматном порядке) и поэтому на рисунке 4.14 приведены через одно значение. Для глубины каналов 1,5 мм (толщина стенки фильтра) расчетная величина давления подачи деионизированной воды составляет 1,27 МПа. С учетом допущений и погрешности расчета было принято давление 1,5 МПа, что обеспечило получение стабильного процесса прошивки. Для диаметров, приведенных на рисунке 4.14, рассеивание размеров при групповой прошивке отверстий полностью уложилось в допуски на обработку.
На рисунке 4.15 показаны те же измерения в перпендикулярном направлении (ось у). Видно, что здесь рассеивание практически не отличается от приведенного на рисунке 4.14, что подтверждает возможность использования для фильтров многоэлектродного инструмента квадратного сечения, изготовление которого эффективно не профилированным проволочным электродом на серийном оборудовании (в том числе на недорогих отечественных станках типа 4531; 4731; 4732 и др.).
Из рисунка 4.16 видно, что по глубине отверстий за счет износа электродов их диаметр уменьшается, но до глубины 3,0 мм (предельная толщина стенки используемого фильтра) размеры каналов укладываются в заданный диапазон без корректировки сечения электродов, хотя при известной глубине прошивки возможно внести коррективы в расчет сечения и за счет этого снизить рассеивание отверстий.
Сечение отверстий (рисунок 4.17) на выходе инструмента изменяется в пределах допуска и, в случае аппроксимации дискретных результатов, укладывается в заданном диапазоне диаметров (0,3 мм). На рисунке 4.17 даны результаты дискретной оценки скорости подачи многоэлектродного инструмента, когда через 0,5 мм измеряли время прошивки участка и находили среднюю величину. Диаграмма на рисунке 4.18 позволяет рассчитать трудоемкость операции прошивки.
Производительность последней до 5-6 раз выше. Но необходимость регулирования межэлектродного зазора при большом количестве электродов резко усложняет оборудование, следовательно, увеличивает стоимость операции. Кроме того, имеющиеся технические системы управления комбинированным процессом не предназначены для многоэлектродной обработки и не нашли использования в прошивочных станках.
На рисунке 4.19 приведены результаты изменения отверстий различного диаметра при использовании межэлектродного инструмента по патенту 137221 [65] .Новая система массовыноса обеспечила высокую точность отверстий по всей глубине, что значительно превышает показатели, приведенные на рисунке 4.16. Резко снизился износ инструмента (особенно в партии "А "), где за счет стабилизации параметров процесса удалось снизить изменение размеров для отверстий 0 0,3 мм до 0,02 мм(если не считать точку в начале кривой, которая, видимо, является ошибкой измерения). Здесь практически не наблюдается бокового износа электродов (после глубины более 0,2-0,3 мм, где имеет место скругление сечения отверстия).
На рисунке 4.20 приведен фильтр с 77828 отверстиями диаметром 0 0,35 мм из стали 1Х18Н10Т с толщиной стенки 2,5 мм. Расчетное время изготовления такого фильтра составляет около 2 рабочих смен.
Износ инструмента из латуни ЛС59 по длине электрода 60-80 % относительно глубины отверстия. Диаметр отверстий 0,35 мм, глубина 1, 5мм а - после электроэрозионной прошивки; б - после электроннолучевой прошивки На рисунке 4.21, а показана рабочая часть фильтра с диаметром отверстий на входе инструмента 0,35 мм и глубиной 1,5 мм, где отверстия прошиты электроэрозионным методом. На рисунке 4.21, б показан такой же фрагмент с отверстиями, полученными электроннолучевой прошивкой, где скорость процесса на порядок выше и более. Но из рисунка 4.21 видно, что за счет значительной конусности (рисунок 4.21,6) плотность расположения соседних отверстий такова, что их дальнейшее сближение невозможно.
В тоже время после электроэрозионной обработки можно значительно увеличить плотность размещения отверстий и до 1,5 раз поднять показатель фильтрующей способности изделия.
Это может позволить достичь значительного выигрыша в массе и габаритах фильтра, что дает большой технический и экономический эффект при производстве современных летательных аппаратов, особенно для двигателей авиакосмических изделий.