Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические основы и анализ процессов электрофизических, электрохимических и комбинированных методов обработки материалов 14
1.1. Физические воздействия при формировании комбинированных методов обработки 14
1.2. Технологические показатели и режимы процессов, формируемых различными физическими воздействиями 19
1.3. Механизмы реализации физических воздействий при проектировании технологических процессов 24
1.4. Достигнутые эксплуатационные показатели известных методов обработки с наложением электрического поля 40
1.5. Применяемые средства технологического оснащения электрофизикохимических и комбинированных методов обработки 50
Анализ исследований в области комбинированных методов обработки, цели и задачи работы 54
Глава 2. Процесс формирования комбинированных методов обработки 57
2.1. Рабочие гипотезы, формирующие выбранные направления исследований при проектировании комбинированных методов обработки 57
2.2. Научные основы создания новых приложений комбинированных методов обработки 59
2.3 Классификация и уровень разработки комбинированных методов обработки, реализуемых в промышленности 71
2.4. Анализ достигнутых и прогнозируемых результатов от применения новых технологий комбинированных методов обработки 76
2.5. Структура и алгоритм исследований, обеспечивающие достижение поставленной цели 82
Выводы 86
Глава 3. Методология и принципы проектирования комбинированных методов обработки 87
3.1. Принципы построения структурной модели процессов комбинированных методов обработки с наложением электрического поля 87
3.2. Методология ускоренного обоснованного выбора вариантов физических воздействий при проектировании комбинированных методов обработки 91
3.3. Оптимизационные альтернативы при разработке технологического метода 113
3.4. Особенности методики проектирования комбинированных методов обработки для типовых процессов 119
3.5. Методология проектирования комбинированных методов обработки профильным инструментом 129
Выводы 138
Глава 4. Проектирование комбинированных методов обработки с направленным использованием различных воздействий 140
4.1. Область рационального использования нетрадиционных технологий для повышения качества и надежности изделий 140
4.2. Разработка режимов обработки переходных участков для удаления локальных концентраторов напряжений 144
4.3. Обеспечение показателей качества технологическим воздействием 151
4.4. Типовые технологические процессы комбинированных методов обработки с механической депассивацией 156
4.5. Типовые технологические процессы комбинированных методов обработки с механическим наклепом 191
4.6. Типовой технологический процесс комбинированных методов обработки с криогенным и тепловым воздействиями 195
4.7. Обработка несвязанными гранулами с механическим и электромагнитным воздействием 205
4.8. Комбинированные методы обработки с наложением высокочастотных колебаний 210
4.9. Обработка в управляемом магнитном поле 213
4.10. Технология плазменной обработки при разделении материалов 217
Выводы 220
Глава 5. Обоснование возможностей и путей повышения качества и надежности изделий по результатам испытаний 221
5.1. Усталостная прочность деталей после устранения концентраторов напряжений 221
5.2. Типовая технология устранения концентраторов напряжений в силовых резьбовых соединениях 225
5.3. Повышение эксплуатационных показателей после финишной электрохимической размерной обработки 228
5.4. Новые устройства и средства технологического оснащения комбинированных способов обработки 232
5.5. Пути обеспечения эксплуатационных показателей комбинированных методов обработки 236
Выводы 245
Глава 6. Промышленный опыт использования комбинированных методов обработки 247
6.1. Опыт использования комбинированных методов обработки 247
6.2. Восстановление работоспособности деталей комбинированными методами обработки 248
6.3. Обеспечение качества поверхностного слоя 252
6.4. Электроэрозионнохимический метод 259
6.5. Электроабразивный метод 261
6.6. Электрохимическая обработка с управляемым вектором действия электромагнитного поля 266
6.7. Анализ путей повышения технологических показателей известных комбинированных процессов 269
6.8. Перспективы использования комбинированных методов обработки в различных отраслях машиностроения 282
Выводы 286
Основные результаты и выводы 287
Литература 290
Приложения 313
- Технологические показатели и режимы процессов, формируемых различными физическими воздействиями
- Научные основы создания новых приложений комбинированных методов обработки
- Типовые технологические процессы комбинированных методов обработки с механической депассивацией
- Восстановление работоспособности деталей комбинированными методами обработки
Введение к работе
Актуальность проблемы. Технологические возможности традиционных методов обработки достаточно полно реализованы в отраслях машиностроения. По мнению специалистов, здесь трудно ожидать прорывных возможностей создания новых технологических приложений, обладающих существенной новизной и конкурентоспособностью. Глобальным направлением в создании новых технологических процессов становится проектирование комбинированных методов обработки, сочетающих физические явления (механические, тепловые, химические, магнитные, ядерное воздействия), совместное действие которых может дать эффективный выход на создание новых технологий. Комбинации известных воздействий позволяют спроектировать более 800 новых технологических процессов, из которых только 1-2% изучены и реализованы в промышленности. Анализ литературных источников и опыта предприятий показывает, что применение комбинированных методов обработки с наложением электрического поля значительно расширяет технологические возможности разработчиков при изготовлении перспективных конструкций, уровень которых ранее ограничивался возможностями освоенных новых технологий.
Исследования отечественных и зарубежных специалистов в области комбинированных методов обработки с наложением электрического поля создали научную базу для разработки методологии проектирования эффективных технологических процессов, обеспечивающих создание конкурентоспособной техники. Особо это важно для отраслей машиностроения, где приоритет отечественной науки до сих пор сохраняется.
Направленный, научно-обоснованный выбор комбинированных видов физических воздействий, оптимальное сочетание технологических возможностей различных видов обработки, включая механические, можно рассматривать как новое актуальное направление в области технологии машиностроения. Реализация этого направления позволит достичь качественного скачка по расширению технологических возможностей большинства отраслей машиностроения и открывает пути создания перспективных изделий нового поколения наукоемкой продукции.
За последние годы автору удалось создать теорию размерной обработки сложнопрофильных деталей с анодным растворением материала ниже границы потерь напряжения, что ранее считалось недостижимым. Созданное новое научное направление по проектированию комбинированных процессов с наложением низковольтного напряжения устранило проблему регулирования и поддержания межэлектродного зазора, что обеспечило создание эффективных средств технологического оснащения. Удалось устранить погрешности, связанные с нестабильностью процессов, протекающих на финишных операциях, при этом достигнута точность 6-7 квалитета. Решение вопросов изготовления деталей при низких напряжениях открыло возможность разработки общей теории проектирования комбинированных процессов с достижением показателей, соответствующих теоретическому пределу.
Создание теоретических основ и реализация проектируемых комбинированных технологических процессов с наложением электрического поля является актуальной проблемой для производства, решение которой становится базой для перехода на новый технический уровень, соответствующий современным требованиям к технологии изготовления конкурентоспособной наукоемкой продукции.
Работа выполнена по грантам Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук МК-3225.2007.8 и 283.2010.8 в 2007, 2008, 2010 и 2011 годах (общий объем финансирования составил более 1,5 млн. рублей), в рамках 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», в соответствии с Государственной программой «Мобильный комплекс», раздел «Техническое перевооружение» (Постановление правительства РФ №2164-П), по национальному проекту «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Постановление Правительства РФ №568 от 26.07.2008 г.).
Цель и задачи исследования. Цель работы – установить и реализовать новые закономерности управления проектированием комбинированных методов обработки с учетом структурированных механических, тепловых, химических, магнитных воздействий, обеспечивающих получение предельно достижимых технологических показателей на современном уровне научных исследований в машиностроении.
Для достижения поставленной цели сформированы и решены следующие задачи:
1. Научное обоснование методологии проектирования комбинированных методов обработки на базе учета достигнутого уровня технологических показателей за счет целенаправленных физических воздействий и их сочетаний.
2. Установление путей и методов рационального внешнего воздействия и учета внутренних связей при проектировании комбинированных процессов, обеспечивающих предельно достижимые технологические показатели.
3. Изучение механизма и закономерностей управления формированием условий реализации комбинированных технологических процессов с учетом информационно-структурных моделей, способствующих создание конкурентоспособной техники в отраслях, где отечественное машиностроение сохранило конкурентоспособность на мировом рынке промышленной продукции.
4. Разработка принципов автоматизированного проектирования новых комбинированных технологических процессов, реализуемых на современных средствах технологического оснащения, с использованием современных информационных технологий.
5. Создание на уровне изобретений новых способов и устройств для реализации в промышленности новых методов комбинированной обработки, расширяющих технологические возможности изготовления современной техники.
6. Обоснование и расширение области рационального использования создаваемых комбинированных процессов обработки для ускорения научно-технического прогресса в отечественном машиностроении.
7. Разработка типовых технологических процессов изготовления и восстановления изделий машиностроения с использованием разработанных принципов проектирования новых технологий.
8. Раскрытие перспектив эффективного применения комбинированных методов обработки в современном машиностроении.
9. Анализ результатов, реализация спроектированных технологий и обоснование путей совершенствования комбинированных методов с учетом потребностей разработчиков новой техники.
Объект и предмет исследования.
Объектом исследования являются комбинированные методы обработки с наложением электрического поля, закономерности их проектирования и возможности их эффективной реализации в машиностроении.
Методы исследования. В работе использованы классические закономерности технологии машиностроения и электрических методов обработки, оптимизации и автоматизации процессов, оптимальные альтернативы, теоретические положения проектирования сложных технических структур с нечетко определенными начальными и граничными условиями, вопросы управления, информационно-структурные модели проектирования, анализ и статистическая обработка результатов исследований.
Научная новизна работы:
-
Установлены закономерности прямого и взаимного воздействия на технологические показатели комбинированных процессов, объединяющих различные виды воздействий, включая электрические поля.
-
Предложены принципы и разработана методология управления структурированными воздействиями с возможностью получения требуемых технологических показателей за счет усиления положительного влияния составляющих внешних и внутренних воздействий и снижения нежелательных воздействий комбинированных методов с использованием электрических составляющих.
-
Предложен научный подход к проектированию комбинированных технологических процессов обработки с учетом рациональных альтернатив для достижения заданных характеристик создаваемых новых методов обработки, а также целевого введения в комбинированный процесс нормированных объемов физических воздействий и их сочетаний, усиливающих полезные технологические параметры и ослабляющих негативные показатели в перспективных технологических способах.
-
Предложены методы численных расчетов с учетом предложенных структур для типовых технологических приложений путем формирования ранее неизвестных эффективных технологических процессов на базе направленной комбинации механических, химических, тепловых и других воздействий.
-
Разработаны алгоритмы ускоренной автоматизированной оптимизации сочетаний научно обоснованных воздействий для разработки и проектирования новых комбинированных процессов с улучшением технологических показателей до уровня, отвечающего предельным возможностям метода, соответствующих современным требованиям мирового машиностроения.
Практическая значимость работы.
-
Спроектированы и защищены патентами РФ основополагающие комбинированные способы обработки, расширяющие технологические возможности структурных составляющих и перспективных комбинированных процессов для производства конкурентоспособной продукции машиностроения.
-
Разработаны принципы и методология ускоренного проектирования технологических процессов с оптимальной комбинацией воздействий для получения заданных видов формирования поверхностей с высокими техническими и экономическими показателями.
-
Разработаны и защищены патентами РФ новые комбинированные технологические процессы, обладающие технико-экономическими показателями, отвечающими достигнутому мировому уровню или превышающими его, особенно при освоении создаваемой техники авиационно-космической отрасли новых поколений.
-
Расширена база знаний о комбинированных методах обработки с наложением электрического поля и показано, что теоретически возможно за счет сочетания различных воздействий создать большое количество неизвестных ранее способов обработки, из которых в процессе исследований было реализовано не менее 20 наименований и прошло проверку значительное количество методов, доступных к реализации на современном уровне познаний о комбинированных процессах.
-
С использованием разработанной теоретической базы обоснованы перспективные пути совершенствования известных технологических процессов путем комбинации их с новыми видами воздействий и научно обоснованного введения составляющих перспективных физических воздействий на процесс, позволяющих перейти на новый уровень производства конкурентоспособной продукции машиностроения.
Научная концепция работы. Методология проектирования комбинированных методов обработки базируется на следующих принципах:
-
Обоснование структуры объекта путем оценки совместимости альтернативных физических воздействий в едином комбинированном технологическом процессе. В основу положен метод стохастического поиска возможных сочетаний структурных воздействий, основанный на нахождении ядра делового конфликта, позволяющего ускоренно войти в область решений задачи. Граничными условиями здесь является минимизация негативных показателей проектируемого процесса, а результатами этого этапа - оценка работоспособности структуры комбинированного метода.
-
Оптимизация качественных сочетаний приемлемых физических воздействий с ускоренным поиском структуры комбинированного технологического процесса. Механизм оптимизации базируется на методе многокритериальной оптимизации для поиска делового компромисса, позволяющего спроектировать один или несколько рациональных технологических процессов, обеспечивающих получение технологических показателей, требуемых для конкретного процесса, при минимизации действия негативных факторов, свойственных рассматриваемым воздействиям, за счет их взаимного сочетания в едином проектируемом методе.
-
Детализация количественных значений вариантов физических воздействий в комбинированном процессе с учетом конкретной области и требуемых показателей использования проектируемого метода. Здесь выполняется формирование технологического процесса для типового производственного объекта и оцениваются количественные показатели комбинированной обработки для технологической операции, выполняемой спроектированным методом.
Личный вклад соискателя:
-
Анализ и обоснование внешних и внутренних путей воздействия на комбинированные процессы, сочетающие положительные показатели механических и электрических методов обработки.
-
Установление закономерностей управления целенаправленным проектированием высокоэффективных комбинированных методов обработки.
-
Анализ и реализацию закономерностей прямого взаимного влияния структурных составляющих различных воздействий на комбинированные процессы обработки.
-
Обоснование и разработку путей интенсификации технологических показателей за счет введения в требуемых объемах новых физических воздействий при создании комбинированных методов обработки, обладающих высокими возможностями при минимизации ограничений в процессах для конкретных приложений.
-
Разработка процедуры поиска и создание принципов получения оптимального сочетания внешних и внутренних воздействий при проектировании технологий комбинированных процессов с учетом ограничений, обусловленных современным уровнем научных знаний о возможностях используемых физических явлений в достижении требуемых результатов комбинированных методов обработки.
-
Создание новых (на уровне изобретений) способов и устройств для реализации комбинированной обработки, отвечающих высоким требованиям современного машиностроения и обеспечивающих расширение технологических возможностей машиностроительных предприятий.
-
Проектирование типовых технологических процессов, отвечающих современным требованиям разработчиков новой техники и позволяющих ускорить ее освоение в производстве.
-
Обоснование возможности и целесообразности применения тех или иных спроектированных и перспективных методов комбинированной обработки для выпуска конкурентоспособной наукоемкой продукции машиностроения.
-
Раскрытие перспектив и обоснование места комбинированных методов обработки в технологических процессах, закладываемых разработчиками новой техники в базовых отраслях машиностроения.
Реализация и внедрение результатов работы. Работа внедрена на Воронежском механическом заводе, на ПФК ВСЗ «Холдинг», в НПП «Гидротехника» и других предприятиях с общим экономическим эффектом более 2 миллионов рублей, а также в учебный процесс ВГТУ, БГТУ, КГТУ-КАИ им. А.Н.Туполева, ОрелГТУ, ЛГТУ, КГЭУ.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и были одобрены на конференциях и симпозиумах различного уровня в стране и за рубежом: Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2002); Международной научно-технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении» (Тула, 2002); Международной конференции «Нетрадиционные методы обработки» (Воронеж, 2002, 2003, 2004, 2005); Международной конференции «Influence of engineering on a state of the surface layer» (Польша, Познань, 2002); Международной конференции RaDMI 2003 (Serbia and Montenegro, 2003); Международной конференции 7th ICDSF (США, Детройт, 2004); Международной конференции «НИР в университетских комплексах» (Воронеж, 2005); Международной научно-технической конференции «Студент, специалист, профессионал (ССП-2005)» (Москва, 2005); Международной научно-технической конференции «Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла» (Брянск, 2005); Международной конференции ISAAT 2007 (США, Диаборн, 2007); Всероссийской конференции "Проектирование механизмов и машин" (Воронеж, 2007, 2010); конференции «Совершенствование производства авиационных поршневых двигателей» (Москва, 2008); конференции «Проектирование механизмов и подъёмно-транспортных машин» (Воронеж, 2008); Международной научно-технической конференции «Студент, специалист, профессионал (ССП-2009)» (Воронеж, 2009); Международной научно-технической конференции «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении» (Воронеж, 2010); Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» (Орел, 2010); Международной научно-технической конференции «Методы отделочно-упрочняющей и стабилизирующей обработки ППД в технологии изготовления деталей машин, приборов и инструментов» (Ростов–на–Дону, 2010); Международной научно-технической конференции «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011)» (Брянск, 2011).
Публикации. Общий объем публикаций по теме работы составляет свыше 100 печ. л., из них соискателю принадлежит свыше 43 печ. л. По теме диссертации опубликованы 54 научные работы, в том числе 18 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также 1 монография (31 печ. л.) и 5 учебных пособий, получено 16 патентов РФ на изобретение.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] –предложена система оптимизации параметров оборудования; [2] – раскрыто описание способа; [3] – предложена структура технологического процесса нанесения покрытий; [4] – разработана структура управления качеством при комбинированной обработке; [5] – разработан алгоритм автоматизированных расчетов; [6] – проведен точностной анализ профиля фасонных пазов; [8] – обоснованы режимы упрочнения; [9] – приведены режимы восстановления зазоров при низких напряжениях; [10] – предложена модель процесса; [11] – предложена методика процесса селективного отбора; [14] – предложена методика обеспечения качества поверхностного слоя; [15] – обоснован выбор режимов обработки; [16] – показано практическое использование предлагаемой технологии; [17] – раскрыты пути повышения качества контактных поверхностей; [37] – разделы, посвященные средствам технологического оснащения электрохимической обработки; [38] – разделы, посвященные проектированию комбинированных методов обработки; [39] – разделы, посвященные автоматизированному проектированию технологических процессов; [40] – разделы, посвященные проектированию комбинированных методов обработки; [42] – предложена структура типового технологического процесса; [43] – сформулирована модель процесса; [44] – обоснована область рационального использования способа; [45] – методика выбора режимов обработки; [53] – обоснование выбора средств технологического оснащения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 262 наименований, 2 приложений. Основная часть работы изложена на 359 страницах, содержит 60 рисунков и 22 таблицы.
Технологические показатели и режимы процессов, формируемых различными физическими воздействиями
Интенсивность каждого воздействия или их обоснованного сочетания с другими определяет технологические возможности как традиционных, так и новых видов обработки, часть которых приведена на рисунке 1.2.
Здесь укрупненно показаны экономически достижимые показатели, которые при некоторых случаях технологического использования могут существенно отличаться от указанных величин. В качестве базы для сравнения выбрано чистовое точение стали 45 на токарном станке (индекс I на рисунке 1.2). Далее показаны технологические показатели электроискровой (индекс II), электроимпульсной (III), электроконтактной в жидкости (IV) и на воздухе (V) обработки, ультразвукового объемного формообразования на примере стекла (VI), электрохимической размерной (VII) и лазерной (VIII) обработки. Рассмотрены скорость съема материала для каждого метода (рисунок 1.2, а), получаемая высота неровностей Ra или Rz (б), точность (в), износ инструмента (г) (как отношение объемов материалов, удаленных с инструмента и заготовки в процентах), энергоемкость (д) (как расход энергии в киловатт-часах на снятие 1 кг материала с заготовки). Последний показатель не учитывает затрат электроэнергии на производство инструмента, которые, например, отсутствуют при обработке лучом лазера и не требуют возобновления в случае применения электрохимической размерной обработки.
При анализе скорости съема материала (рисунок 1.2, а) единым-показателем служит объем материала, снятого с заготовки в единицу времени (мм /мин), при экономически достижимой шероховатости поверхности и точности профиля. На рисунке 1.2 показаны возможности только одного-инструмента, а для электрохимической размерной обработки - предельный ток, вырабатываемый известными генераторами (в России создан источник тока на 30000А). При использовании ультразвуковой обработки для заготовок из твердого сплава (например, при прошивке отверстий) производительность будет значительно ниже приведенной на рисунке 1.2 для стекла и составит не более 50-60 мм /мин.
В случае оценки скорости анодного растворения при электрохимической размерной обработке объем снятого металла будет зависеть от площади зоны протекания процесса анодного растворения и возможностей подведения технологического тока (площадь сечения токоподводов, предельный ток генератора). Известны удачные попытки соединить в один источник тока несколько генераторов, что увеличивало скорость съема припуска со стальных заготовок до 50000 мм /мин.
Из анализа показателей обработки, представленных на рисунке 1.2 следует, что большинство рассматриваемых методов имеет скорость съема материала, значительно превышающую скорость базового варианта (механической обработки), а электроискровой, ультразвуковой метод и лазер могут быть рекомендованы для изготовления деталей с небольшой площадью обработки (как правило, объекты с малыми габаритами).
Время получения готового изделия, характеризующее производительность, зависит от возможностей каждого метода по достижению заданной точности и качества поверхностного слоя. На рисунке 1.2, б показан основной показатель этого качества - шероховатость. Если принять за базу сравнения возможности точения (I на рисунке 1.2), то пониженная высота неровностей достигается при электроискровой, ультразвуковой и электрохимической размерной обработке, что подтверждает возможность их преимущественного использования для чистового этапа технологического процесса. В остальных случаях рассматриваемые методы (III, IV, V, VIII) позволяют получить поверхности с ограниченной шероховатостью, что в ряде случаев потребует проектирования последующих операций чистовой обработки.
К особенностям рассматриваемых процессов образования микронеровностей следует отнести: получение после электроэрозионной (II, III, IV, V на рисунке 1.2) обработки углублений в форме произвольно расположенных лунок, которые при последующей доводке абразивным инструментом (особенно свободным абразивом) ускоренно удаляются, т.е. достигается быстрое повышение чистоты поверхности. Электрохимическая размерная обработка обеспечивает снижение неровностей при увеличении скорости удаления припуска, т.е. открывает новые технологические возможности по совмещению черновой и чистовой обработки.
В рассматриваемых на рисунке 1.2 методах измененный слой (если он имеется) имеет глубину залегания, пропорциональную высоте неровностей. Он представляет для электроэрозионной обработки сталей закаленную износоустойчивую зону, что может быть использовано для упрочнения многих деталей в машиностроении. Аналогичный эффект наблюдается после обработки ультразвуком (VI на рисунке 1.2) и лазером (VIII). После электрохимического метода (VII на рисунке 1.2) происходит удаление наклепа, как результата наследственности от предшествующей операции, т.е. создается хорошая база для последующих операций механического упрочнения. Однако, во всех рассматриваемых вариантах обработки должны учитываться ограничения по глубине закалки (до появления микротрещин, в частности, для электроискровой обработки появление дефектного слоя у сталей наблюдается при энергии импульса более 1 Дж), а также величина микрорастравливания для электрохимического метода (у титановых сплавов — до 30 мкм), что следует учитывать при расчете припусков на последующие операции (если они требуются).
Следующий показатель качества изделия, влияющий на производительность процесса, - точность, приведенная на рисунке 1.2, в. Показанные на рисунке 1.2 экономически достижимые величины точности практически все, кроме IV, V, VIII, не ниже базового варианта. При этом для лазерной обработки методом трепанации точность может соответствовать 7-8 квалитету, т.е. превышать возможности механообработки. Электроконтактное шлифование в жидкой среде позволяет достичь точности 5-6 квалитета, но при этом скорость съема (по сравнению с указанной на рисунке 1.2, а) снизится на несколько порядков. Таким образом, к черновым операциям по всем показателям (а, б, в на рисунке 1.2) можно отнести только электроконтактную обработку в воздушной среде.
Износ инструментов (рисунок 1.2, г) непосредственно влияет на точность обработки и требует дополнительных затрат на восстановление или периодическую замену инструмента. Однако, при электрохимической размерной и лазерной обработке износ отсутствует, что позволяет обеспечить высокую точность профиля обрабатываемой поверхности по этому показателю. Как показано выше, методы II, VI преимущественно используются для чистовых операций, где характерен незначительный съем материала, поэтому абсолютная величина износа у них невелика. Для черновых операций (электроконтактная обработка) износ инструмента учитывается при технико-экономическом обосновании целесообразности применения нового метода в качестве накладных расходов на операцию.
Расход электроэнергии (рисунок 1.2, д) не является определяющим и учитывается при технико-экономическом обосновании целесообразности использования нового процесса и при оценке возможности внедрения электрических методов, характеризующихся повышенным энергопотреблением на технологический процесс. Особенно это затрагивает электрохимическую размерную обработку (здесь энергозатраты возрастают на порядок), где лимиты предприятия-потребителя могут оказаться недостаточными для эксплуатации одной или нескольких единиц крупного оборудования такого типа с генераторами на большие токи.
Сведения о технологических показателях комбинированных процессов представлены в таблице 1.1
Научные основы создания новых приложений комбинированных методов обработки
За последнее десятилетие активизировалась работа по разработке новых способов обработки, созданию средств технологического оснащения в области электрических и комбинированных методов обработки, которые позволяют сформировать перспективные научные направления исследований в области технологии машиностроения. Усилиями ученых современных научных школ России и, в частности, Воронежа, удалось создать новые методы, способные стать основой для разработки новых технологий производства конкурентоспособных изделий, в том числе и в приоритетных областях машиностроения.
Новые способы и устройства можно разделить на две основные группы, в зависимости от того, на каком из электродов происходит обработка. Таким образом, выделяются анодные и катодные процессы. В таблице 2.1 приводятся сведения о новых запатентованных разработках современных научных школ в области комбинированных методов обработки
В основу новой технологии восстановления размеров изношенных деталей машин может быть положен способ по патенту [135]
Изобретение используют в машиностроении, в частности при восстановлении геометрических размеров изношенных деталей. Оно позволяет расширить возможности нанесения покрытий на чугунные детали. Это достигается за счет того, что нанесение нескольких слоев покрытия осуществляют чугунным электродом, при этом каждый слой покрытий наносят толщиной, при которой на чугуне не образуется отбеленный слой, и после первого слоя последующие слои покрытия наносят после удаления окисной пленки с поверхности нанесенного покрытия с помощью плазменной струи, энергию которой регулируют изменением разности потенциалов, до-полного удаления окисной пленки с поверхности покрытия.
Способ выполняется следующим образом. На изношенную поверхность заготовки 7 по существующей технологии электроэрозионного восстановления чугунным электродом 2 наносят первый слой 8 с толщиной не более предельной, при которой на чугуне, не образуется отбеленный слой. Последующий слой 9 наносят чугунным электродом 2 после удаления плазменной струей 4, действующей вдоль наносимого покрытия, с поверхности первого слоя 8 окисной пленки.
Для сохранения качества и адгезионных свойств покрытия 9 плазмотрон 1 устанавливают с помощью связи 3 относительно электрода 2 и слоя 8 под углом а [241], так чтобы при его работе зона наибольшего нагрева струей 4 места нанесения покрытия 9 приходилась на конец электрода 2. При работе импульсного генератора (не показан) перемещают (показано стрелкой): плазмотрон 1, электрод 2 со связью вдоль первого слоя 8, с измерением угла а датчиком 5. За счет измерения угла между осью электрода 2 и заготовкой 7 регулятором 6 поддерживают межэлектродный зазор и постоянный нагрев, что обеспечивает удаление окисной поверхностной пленки из зоны нанесения на первый слой 8 последующего слоя 9 нужной толщины, до появления отбеленного слоя. Слой покрытия наносят до получения геометрического размера детали до ее износа с учетом требуемого припуска на обработку поверхности детали после восстановления.
В качестве примера показано восстановление изношенного вала из чугуна СЧ 24 диаметром 42 мм до диаметра 45 мм с учетом припуска 1,2 мм на диаметр для последующего шлифования. Процесс выполняют на специальной электроэрозионной установке «Элитрон-52» мощностью 3 кВт на режиме №3 при силе тока 4,5 А и напряжении 60±2 В [241]. Электрод 2 из чугуна СЧ 24 диаметром 2 мм. Плазмотрон 1 прямого действия с диаметром сопла 2 мм и расходом плазмообразующего газа (углекислый газ) около 0,7 м /час. Плазмотрон 1 устанавливают под углом а—30 к поверхности заготовки 7. Отбеленный слой на чугуне не успевает образоваться при толщине слоя покрытия менее 0,2 мм. Наносим первый слой толщиной 0,15-0,18 мм путем подбора скорости перемещения электрода 2 (скорость 85-90 мм/мин), затем останавливаем электрод 2, зажигаем плазмотрон 1 и термопарой находим место на слое 8 наибольшего нагрева струей 4, после чего связью 3 помещаем туда электрод 2. Удаление тонкой окисной поверхностной пленки происходит мгновенно, и она не может снова образоваться в зоне струи 4. Тогда скорость перемещения плазмотрона 1 и электрода 2 назначают аналогично выбранному при нанесении первого слоя 8 (85-90 мм/мин). Процесс нанесения слоев повторяем 18 раз, после чего получен диаметр 45±0,2 .мм. Изучение качества поверхностного слоя не выявило у восстановленной детали отбеленного слоя или расслаивания, а при испытании после восстановления образцов на излом не обнаружено отслаивания слоев в месте излома. Таким образом, поставленная цель достигнута.
Следующее изобретение [140] может быть использовано при комбинированной обработке каналов различного сечения и параметра.
Изобретение направлено на получение гарантированного наклепа на поверхности канала переменного сечения и контура.
В этом способе злектрохимикомеханической обработки каналов, включающем продольное перемещение электрода-инструмента с постоянным усилием, регулируют усилие продольной подачи электрода-инструмента путем изменения давления внутри его рабочей части обратно пропорционально изменению периметра поперечного сечения обрабатываемого канала. При этом в устройстве для злектрохимикомеханической обработки каналов, содержащем электрод-инструмент, имеющий рабочую часть с катодными пластинами и изоляторами из износостойкого материала, катодные пластины выполнены в виде звеньев цепи с пазами, позволяющими изменять длину периметра, соединенных между собой осями, жестко установленными в смежных звеньях, а изоляторы размещены на внешней поверхности звеньев с возможностью взаимного перекрытия при их перемещении, при этом в пазах звеньев установлены датчики положения, соединенные с регулятором давления внутри рабочей части электрода-инструмента.
На рисунке 2.2 представлена структурная схема электрохимикомеханического способа обработки.
Сигнал от датчиков положения, например тензо-датчика 1, поступает в преобразователь сигналов 2, далее на регулятор давления 3 сети, где сравнивается с базовым сигналом от регулятора- 4 усилия подачи, определяется сигнал рассогласования 5, который в виде разницы между требуемым. давлением в рабочей части и базовым значением изменяет давление в электроде-инструменте 6.
Изобретение [151] относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве комбинированной обработки при изготовлении абразивных инструментов на металлической основе. Оно позволяет надежно удерживаться абразивным зернам в металлической связке за счет сжимающих остаточных напряжений, в результате чего значительно снижается потеря абразивными лентами режущей способности вследствие выкрашивания зерна, вызванных его износом, что позволяет зернам работать практически до полного их износа.
Изобретение направлено на повышение стойкости абразивного инструмента на металлической основе в виде ленты. Это достигается тем, что одновременно с нанесением металлического покрытия производят начальное давление притиром на абразивный слой, после чего измеряют электрическое сопротивление между основой и электродом до появления контакта, затем электрод отводят на расчетный зазор, прикладывают к притиру силы раскатки и продолжают процесс до. полного заращивания металлическим материалом абразивного слоя.
Изобретение: [153] относится- к области машиностроения І и может быть использовано при изготовлении закрытых каналов: в заготовках, например; охлаждающих элементов: двигателей; теплообменников; с закладными деталями, устанавливаемыми перед прессованием из порошка, перед штамповкой, литьем и удаляемыми анодным растворением с наложением ультразвукового поля.
Типовые технологические процессы комбинированных методов обработки с механической депассивацией
К особенностям электроконтактнохимического метода относится протекание процесса при временном контакте электродов, что возможно только в случае использования низкого напряжения, когда сопротивление окисных пленок достаточно для предотвращения импульса тока. Окисные пленки на металлах являются полупроводниками, и между электродами протекает ток, который ввиду малой толщины пленки, создает плотность выше предельной, т.е. обеспечивает анодный съем припуска в местах контакта электродов.
При этом скорость удаления металла зависит от толщины пленки, изменяющейся под действием контактного давления, например, в зубчатых передачах. В этом случае достигается локальное удаление припуска на аноде и его выравнивание относительно теоретического профиля. Такой процесс используется при ремонте и восстановлении контактных пар (зубчатых колес, шлицевых соединений), когда одна из деталей сохраняет требуемую точность профиля (например, зубчатое колесо большого диаметра) или такая деталь заменена на новую, изготовленную с заданной точностью.
В случае износа профиля зубьев (шлицев) на обоих колесах и при наличии припуска на обработку за счет остаточной (после эксплуатации) части допуска на толщину зуба можно использовать переменную полярность, в этом случае обработка происходит по схеме притирки и может снизиться имеющееся нарушение теоретического профиля, например, эвольвенты.
В случае восстановления зубчатых передач с малыми величинами допуска зазора производится, после получения исправленной эвольвенты, наращивание поверхностей зубьев.
При восстановлении беззазорных зубчатых передач в большинстве случаев возможно избежать разборки редуктора и операций, связанных с ней (сборки, комплектации, восстановления баз), а следовательно, избежать неточности, возникающей при напрессовке колес во время сборки и возможной потери установочных баз. Исключение вышеуказанных операций будет возможно при условии, что зубчатые колеса можно очистить и замерить без разборки узла, нет необходимости замены одного из колёс, а также не возникает необходимости полностью исключать анодного растворения на какой-либо поверхности.
Исходными данными для расчета параметров и моделирования являются: технические характеристики зубчатой передачи (модуль, число зубьев, толщина зубьев нового колеса по делительной окружности, материал, степень точности); максимальный и минимальный износы по толщине зуба каждого колеса в паре (дефектация передачи); степень контакта зубьев (по измерениям).
Граничным условием является то, что величина износа зубьев не превышает пределов установленных стандартами и нормами.
Восстановление беззазорных зубчатых передач в общем случае осуществляется в три этапа:
1. Выравнивание эвольвентного профиля колёс.
2. Наращивание слоя с -целью устранить боковой зазор в передаче, с
учётом припуска на дальнейшее формирование качественного поверхностного слоя.
3. Получение осаждённого поверхностного слоя с заданными эксплуатационными качествами.
Рассмотрим математическую модель первого этапа.
При расчете технологических режимов учитывают, что в любом случае износ одного из колес (как правило меньшего диаметра) существенно выше, поэтому параметры процесса находят, принимая колесо с меньшим износом кондиционным (что в большинстве случаев отвечает реальности) [198].
Тогда расчетная схема для управления процессом отвечает приведенной на рисунке 4.4. При моделировании процесса приняты следующие начальные условия: износ по профилю зуба имеет плавные переходы между участками; минимальный припуск имеет положительное значение относительно нижнего предельного контура зуба (граница 3 на рисунке 4.4); металлический контакт между сопрягаемыми зубьями отсутствует, т.е. в точке «а» (рисунке 4.4) имеется некоторый слой рабочей среды, препятствующий соприкосновению частей 1 ;2 при доводке.
Решение уравнения (4.24) позволяет найти время обработки (т), при котором выполняется условие (4.25). Учитывая малую величину Az относительно общего припуска, решение может быть выполнено дискретным методом последовательных приближений.
Число переходов в процессе доводки можно найти, зная из зависимости (4.22), какое количество металла с поверхности удаляется за 1 оборот колеса. Тогда отношение припуска на обработку к величине съема металла за проход даст искомую величину.
Число переходов (тпер) при доводке должно быть кратным отношению zmjn к предельной погрешности 5П с округлением в сторону увеличения до целого числа (тпер):
Как видно из рисунка 4.5 каждый зуб проходит путь от точки а до точки d, при этом на участке be в зацеплении находится только одна пара зубьев. Тогда путь, который проходит каждый зуб определяется как произведение основного шага to на коэффициент перекрытия е. Величина «є», таким образом, учитывает одновременную обработку нескольких зубьев, что снижает общее время доводки.
Процесс доводки зависит от толщины пленки между контактными поверхностями, что определяется давлением на пленку со стороны зубьев.
Если принять в качестве рабочих гипотез положения:
- площадь обработки сопрягаемых поверхностей мала по сравнению с поверхностью зуба, что позволяет исключить влияние геометрии профиля на изменение межэлектродных зазоров;
- зазор в период доводки изменяется по известной зависимости, построенной в предположении, по [241], что при работе зубчатых передач отсутствует проскальзывание. Тогда изменение зазора можно описать квадратичной функцией;
- деформации в зоне доводки отсутствуют;
- механические и электрохимические свойства материалов в зоне доводки остаются постоянными.
Правомерность таких гипотез позволяет использовать для расчета сил при доводке теорию Герца для контактных задач. В нашем случае это будет контактная задача для цилиндрических тел.
По аналогии со смазкой, по [125, 205] в зоне контакта образуется жидкая прослойка, толщина которой зависит от контактного давления, управляемого торможением одного из сопрягаемых колес с получением критической толщины слоя, т.е. при минимальном зазоре между выступами неровностей. При доводке скорость относительного движения между сопрягаемыми поверхностями незначительна, и для расчета нормальной силы можно использовать зависимости, полученные для гидродинамической смазки подшипников качения.
Восстановление работоспособности деталей комбинированными методами обработки
При восстановлении беззазорных зубчатых передач в большинстве случаев возможно избежать разборки редуктора и операций, связанных с ней (сборки, комплектации, восстановления баз), а следовательно, избежать неточности, возникающей при напрессовке колес во время сборки и возможной потери установочных баз. Исключение вышеуказанных операций будет возможно при условии, что зубчатые колеса можно очистить и замерить без разборки узла.
В случае, если одно из колёс не подлежит восстановлению производится частичная разборка и дефектное колесо заменяется новым. Отличительной особенностью комбинированного восстановления беззазорных зубчатых передач является возможность исправления погрешностей, возникающих при сборке редуктора. Подробно технология изложена в п.4.4, а также в работах [198,45].
Оценка результатов восстановления зубчатой передачи велась по площади пятна контакта трёх зубьев с обоих сторон большего и меньшего колеса показана на рисунках 6.1, 6.2.
На рисунках 6.1, 6.2 1а, 2а, За - площадь контакта первого, второго и третьего зуба стороны "а" колеса большего диаметра до восстановления соответственно; 16, 26, 36 - площадь контакта первого, второго и третьего зуба стороны "б" колеса большего диаметра до восстановления соответственно; 1А, 2А, ЗА - площадь контакта первого, второго и третьего зуба стороны "а" колеса большего диаметра после восстановления соответственно; 1Б, 2Б, ЗБ - площадь контакта первого, второго и третьего зуба стороны "б" колеса большего диаметра после восстановления соответственно.
Повышение пятна контакта после обработки подтверждает теоретические расчёты саморегулирующегося способа восстановления зубчатых передач.
Анализ перспектив используемого метода (таблица 6.1), показывает, что в случае редукторов управляющих систем выгодно восстановление всех изношенных колёс из-за высокой стоимости отсчётных зубчатых передач.
Колёса большего диаметра скоростных зубчатых передач выгодно восстанавливать, а колёса меньшего диаметра выборочно целесообразно заменять новыми. В случае силовых передач, используемых, к примеру, в грузоподъёмных машинах, как правило, колесо большего диаметра восстанавливается, а колесо меньшего диаметра заменяется на новое. Во всех случаях целесообразность восстановления зависит от цены на новое колесо и возможности его приобретения. Также следует учитывать, является ли зубчатое колесо элементом каскада и есть ли возможность снять с него это колесо. Если нет, то рациональность восстановления оценивается уже исходя из стоимости целого каскада колёс; если возможность снять колесо с каскада есть, то учитывается стоимость переборки узла.
Таким образом, обоснована возможность восстановления зубчатых передач без переборки узла, что в 10-12 раз ускорило восстановление работоспособности беззазорных передач и практически исключило их замену по причине естественного износа.
