Технология комбинированной струйной размерной обработки сложнопрофильных поверхностей металлических деталей Котуков Василий Иванович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Исследования в области гидроабразивной обработки с наложением электрического поля 11

1.1. Область использования комбинированной гидроабразивной обработки 11

1.2. Механизм гидроабразивного разделения материалов с наложением электрического поля 13

1.3. Механизм анодной очистки гранул от продуктов обработки 22

1.4. Механизм удаления шаржирования при комбинированной обработке 27

1.5. Расчет режимов комбинированного разделения материалов 30

1.6. Изменения в поверхностном слое при гидроабразивном разделении заготовок 32

1.7. Восстановление качества поверхностного слоя и режущих свойств абразива 38

Анализ состояния исследований по рассматриваемой проблеме 40

ГЛАВА 2. Технологическое обеспечение и методы решения поставленных задач 42

2.1. Рабочие гипотезы, выдвинутые в работе 42

2.2. Производственная база для экспериментальных работ 43

2.3. Научная база для проведения исследований 51

2.4. Методика проведения экспериментов 61

2.5. Алгоритм достижения поставленной цели 63

Выводы 67

ГЛАВА 3. Механизм размерной чистовой комбинированной гидроабразивной обработки 68

3.1. Особенности комбинированного процесса 68

3.2. Механизм комбинированной обработки 69

3.3. Напряжение, подаваемое на струю 71

3.4. Геометрия струи при гидроабразивной обработке

3.5. Давление струи при комбинированной обработке 76

Выводы 77

ГЛАВА 4. Математическое описание траектории струи при комбинированной гидроабразивной чистовой обработке сложнопрофильных участков деталей 79

4.1. Автоматизация процесса траекторных перемещений инструментов 79

4.2. Траектория струи относительно обрабатываемой поверхности

4.3. Параметрическая связь между вектором струи и геометрией сложнопрофильных поверхностей детали 81

4.4. Модель программированного управления точкой контакта на обрабатываемой поверхности 92

4.5. Программирование перемещения струи 96

4.6. Оценка погрешности программирования при комбинированной обработке 97

Выводы 98

ГЛАВА 5. Технология комбинированной чистовой обработки 99

5.1. Технологические показатели струйной чистовой обработки 99

5.2. Режимы обработки 110

5.3. Новые способы комбинированной обработки 121

5.4. Методика проектирования технологии комбинированного процесса для чистовой обработки сложнопрофильных деталей 126

5.5. Рекомендации по модернизации установки под комбинированную обработку 130

5.6. Перспективы использования комбинированной обработки 134 Выводы 146 Заключение 148 Общие выводы 149

Библиографический список 151

Приложения 165

• Механизм удаления шаржирования при комбинированной обработке
• Механизм комбинированной обработки
• Параметрическая связь между вектором струи и геометрией сложнопрофильных поверхностей детали
• Методика проектирования технологии комбинированного процесса для чистовой обработки сложнопрофильных деталей

Введение к работе

Актуальность темы. При размерной обработке сложнопрофильных деталей возникают большие трудности в процессе формирования точных переходных участков. К ним относятся скруглення кромок лопаток газотурбинных двигателей с большими углами закрутки, где используемый строчечный метод обработки абразивными лентами затрудняет копирование инструментом пространственно изменяющегося профиля, а при более точном изготовлении таких участков узкими лентами резко снижается производительность, точность детали и стойкость инструмента.

Кроме того, применяемые методы изготовления кромок и мест сопряжения лопаток турбонасосных агрегатов весьма трудоемки и нестабильны, т.к. такие участки труднодоступны для инструмента, и для обеспечения требуемой точности профиля приходится применять малопроизводительный ручной труд. Это сдерживает достижение требуемых тактико-технических и эксплуатационных требований транспортной техники новых поколений.

Струйные методы, к которым относится комбинированная гидроабразивная обработка, позволяют перейти от строчечного метода с последовательным формированием отдельных, в основном доступных для инструмента участков детали, к точечному дистанционному формообразованию поверхностей любого профиля, а наличие электрического поля открывает возможность полностью исключить шаржирование и выполнять чистовые операции для деталей с любой геометрией, в том числе с участками, скрытыми внутри изделия.

Современные конструкции наукоемкой транспортной техники содержат большое количество высокоточных элементов, не имеющих прямого доступа к ним металлорежущего инструмента, и создание новых технологических способов и устройств для чистовой обработки таких деталей значительно расширяет технологические возможности изготовителей перспективной продукции машиностроения.

Рассматриваемое направление исследований является актуальным для машиностроения, а его результаты будут востребованными всеми отраслями промышленности.

Работа выполнялась по тематическим карточкам Росавиакосмоса в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и научным направлением Воронежского государственного технического университета по ГБ НИР № 2010 - 15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».

Научная проблема заключается в научном обосновании, оценке возможностей и развитии размерной комбинированной гидроабразивной обработки сложнопрофильных металлических деталей с использованием накопленной базы знаний по комбинированным процессам.

Целью работы является создание комбинированного процесса гидроабразивной струйной обработки с обеспечением технологических показателей чистового этапа изготовления для сложнопрофильных поверхностей, в том числе с пространственной геометрией.

Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Раскрытие механизма локальной чистовой обработки комбинированным гидроабразивным методом сложнопрофильных поверхностей деталей с произвольной геометрической формой.

2. Установление формальных связей между геометрией обрабатываемых участков и параметрами процесса для обеспечения точности и качества поверхностного слоя, отвечающего требованиям чистовой обработки сложнопрофильных поверхностей изделий.

3. Разработка математического аппарата для перемещения струи при чистовой обработке с обеспечением требуемых технологических показателей.

4. Разработка рекомендаций по проектированию программ для чистовой обработки переходных участков с целью автоматизации технологической подготовки производства.

5. Оценка возможностей и перспективы применения комбинированного метода для чистовой струйной обработки сложнопрофильных поверхностей изделий перспективной наукоемкой продукции машиностроения.

6. Обоснование и создание патентозащищенных способов для чистовой обработки сложнопрофильных поверхностей деталей.

Методология и методы исследований.

Методологической основой работы служат теория обработки деталей несвязанными гранулами; теория подобия в механических системах; принципы моделирования многофакторных технологических процессов; закономерности механической и физико-технической обработки, в том числе для комбинированных процессов с наложением электрического поля.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Обоснованность и достоверность научных исследований, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований с использованием стандартных методов и средств измерения, созданием экспериментального целевого оборудования, положительными результатами обсуждения основных положений работы и внедрением результатов.

Объекты исследования - сопрягаемые участки пространственно-сложных поверхностей типа лопаток газотурбинных двигателей, осевых и радиальных колес турбонасосных агрегатов, процесс удаления припоя в охлаждаемых элементах камер сгорания и реактивных сопел, сложнофасонных участков деталей с ограниченным доступом инструмента в зону обработки, в том числе из труднообрабатываемых материалов.

Научная новизна включает:

7. Механизм дистанционного размерного удаления припуска с созданием системы управления качеством поверхностного слоя и точностью формообразования параметрами струи и свойствами гранул в электрическом поле.

8. Установление закономерностей взаимного влияния на точность обработки геометрии заготовки и вектора действия струи, отличающихся возможностью повышения стабильности процесса по сигналам обратной связи в реальном масштабе времени о величине припуска на обрабатываемой части сопрягаемого участка с любой геометрией пространственно-сложной поверхности.

9. Закономерности перемещения струи по сопрягаемому участку пространственно-сложного сопряжения с учетом положения вектора взаимодействия струи и угла ее поворота в зоне обработки.

Практическая значимость заключается в следующем:

10. Создание способа чистовой комбинированной обработки участков с произвольным изменением припуска на обработку переходных участков, что позволяет повысить точность изготовления сложнопрофильных поверхностей деталей, в том числе с ограниченным доступом инструмента в зону обработки.

11. Разработка рекомендаций по проектированию управляющих программ для чистовой обработки сопрягаемых пространственно-сложных элементов непрофилированным инструментом с несвязанными гранулами.

12. Особенности построения методики проектирования комбинированного технологического процесса с учетом возможностей выпускаемого и создаваемого оборудования для чистовой комбинированной гидроабразивной обработки, в том числе для деталей, содержащих труднодоступные для подвода инструмента сложнопрофильные участки, а также изделий из материалов, трудно обрабатываемых абразивным инструментом.

13. Внедрение разработанного процесса в производство двигателей летательных аппаратов, что позволило механизировать чистовую обработку сложнопрофильных поверхностей, повысить точность переходных участков, качество обработанной поверхности и ускорить освоение наукоемких изделий нового поколения техники.

Личный вклад соискателя

Положения, выносимые на защиту, включают:

14. Обоснование использования новых, на уровне изобретений, способов и устройств, положенных в основу построения теоретических зависимостей, технологических процессов получения точных сопрягаемых поверхностей, в том числе на участках, слабо доступных и недоступных металлообрабатывающему инструменту.

15. Формализацию связей между автоматизированным перемещением струи при комбинированной гидроабразивной обработке и

возможностью повышения точности и качества поверхностного слоя сопрягаемых поверхностей сложнопрофильных участков деталей.

3. Разработку рекомендаций по автоматизированному проектированию технологии чистовой обработки труднодоступных участков с переменным припуском, обеспечивающим механизацию чистовых операций на сложнопрофильных элементах деталей.

4. Проведение экспериментальных и внедренческих исследований для реализации результатов на машиностроительных предприятиях. Процесс внедрен в производство на Воронежском механическом заводе с реальным экономическим эффектом, в НПП «Гидротехника».

Апробация работы:

Результаты работы и ее составные части представлялись и обсуждались на следующих конференциях: 3-й международной научно-технической конференции ССП-2010 (г. Воронеж, 2010 г.); 8-ой международной конференции молодых специалистов организаций ракетно-космической, авиационной и металлургической промышленности России (Королев, 2010 г.); XII всероссийской научно-технической конференции и школе молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии» (АКТ-2011, Воронеж, 2011); II молодежной научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника: исследования, разработки, пути решения актуальных проблем», посвященной 65-й годовщине победы в Великой Отечественной войне (Москва, 2010); XIX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию первого полета человека в космос (Королев, 2011); молодежной научно-технической конференции, посвященной 50-летию первого полета человека в космос (Воронеж, 2011); XVII Макеевских чтениях - Российской научно-технической конференции, посвященной 87-летию со дня рождения академика Виктора Петровича Макеева (Воронеж, 2011); VII международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники» (Польша, Przemysl, 2011); V международной научно-практической конференции «СТУДЕНТ. СПЕЦИАЛИСТ. ПРОФЕССИОНАЛ» (ССП -2012), (Воронеж, 2012); XV международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии» -«Технология-2012», посвященной 120-летию со дня рождения Н.Н. Поликарпова (Орел, 2012); IV международной научно-технической конференции «ТМ-2012» (Рыбинск, 2012); международной научно-технической конференции «Управление качеством» (Москва, 2013); на 13-й международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2014).

Диссертационная работа была заслушана в полном объеме на заседании кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет».

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы прошли проверку в цехах ВМЗ - филиала ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и внедрены в серийное производство для двигателей космических изделий, а также на НПП «Гидротехника» с общим экономическим эффектом около

миллиона рублей. Материалы проведенных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ общим объемом 7,8 п. л., где соискателю принадлежит 2,8 печатного листа. В их число входит 5 публикаций в изданиях по списку ВАК РФ, 2 патента, 1 монография.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - модель импульсных воздействий; [2] - анализ механизма воздействия струи на поверхность металлов; [3] - механизм локализации воздействия струи; [4] - особенности удаления покрытий импульсным воздействием; [5] - механизм формирования геометрии переходных участков; [6] - специфика построения технологического процесса при комбинированной гидроабразивной обработке; [9] - принципы разработки состава рабочей смеси для комбинированной гидроабразивной обработки; [10] - обеспечение точности профиля при изготовлении пазов; [11] - обоснование технологических режимов; [12] - механизм взаимодействия гранул; [13] - технология комбинированной обработки; [14] - использование комбинированной обработки непрофилированным электродом.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений, списка литературы из 115 наименований. Основная часть работы изложена на 170 страницах, содержит 64 рисунка, 10 таблиц.

Механизм удаления шаржирования при комбинированной обработке

Гидроабразивная обработка появилась в промышленности в последние годы. Исследования в этой области проводятся в Москве, Санкт-Петербурге, Туле, Рыбинске, Воронеже, Казани, Перми, Орле, Ростове-на-Дону, Самаре, Уфе, Саратове, Новосибирске и в других городах страны, а также в Чехии, Японии, Германии, США, Испании, Англии. Комбинированная гидроабразивная обработка является дальнейшим развитием рассматриваемого процесса и известно лишь несколько работ в этой области. Это исследования В. П. Смоленцева [61 - 76], Е. В. Гончарова [19 - 25; 31 - 35], Ю. С. Степанова [82 -84], А. П. Бабичева [2], А. В. Кузовкина [37 - 38; 45], С. Н. Григорьева [28], и других специалистов.

Появление комбинированной обработки вызвано запросами производства: это прежде всего требования машиностроителей к получению качественных заготовок при минимальном негативном воздействии на окружающую среду. С появлением материалов с особыми свойствами, большого сортамента и номенклатуры деталей, подвергаемых разделению, возникла необходимость в создании универсальных технологий, позволяющих одним инструментом выполнять операции на различных материалах. Такие операции используются, главным образом, для разделения металлических материалов, где традиционные механические способы не всегда отвечают запросам разработчиков новой техники, в частности могут нарушать экологию, не всегда обеспечивают нужные технико-экономические показатели, имеют высокую энергоемкость, относительно низкую скоростью резания, ограничения по доступу механического инструмента в зону обработки изделий сложной формы, различные геометрические размеры заготовки. В процессе механической обработки за счет действия сил резания возможно появление брака из-за осыпания кромок у хрупких материалов. Имеет место нежелательное термическое воздействие от нагрева зоны механического разделения на обрабатываемый материал. В ряде случаев применение традиционных методов механического разделения материалов металлическим и абразивным инструментом может вызывать ухудшение эксплуатационных характеристик изделий.

Одним из методов, снижающих негативное воздействие на зону обработки, является разработанная в последние годы гидроабразивная резка материала [5]. Однако в процессе освоения этого метода выявлены недостатки, главным из которых является ограничения по точности зоны разделения материалов, возникновение в зоне разделения металлов, особенно вязких, шаржирования поверхности абразивными зернами, что вызывает трудности при последующей обработке и ограничивает использование полученных деталей без последующей обработки, которая без шаржирования может отсутствовать. Абразив, застрявший в материале, ухудшает эксплуатационные свойства детали и может вызвать выход изделия из строя в процессе эксплуатации, поэтому приходится его удалять, назначая последующие технологические операции. Потребовалась разработка новых методов, при которых происходит разделение заготовок и удаление шаржированного слоя.

Проблема получения окончательного профиля несопрягаемых участков поверхностей решается путем создания комбинированной струйной гидроабразивной обработки путем анодного удаления с поверхности разделения припуска, достаточного для снятия шаржированного слоя.

Из теории электрохимической размерной обработки известно [71, 73, 79, 99], что скорость съема материала анодным растворением будет выше на концентраторах поля, которыми являются неровности. Поэтому наложение электрического поля способствует также снижению шероховатости. Одновременно происходит съем металла, налипшего на поверхность, и очистка, восстановление режущих свойств абразива. Это приводит к стабилизации процесса разделения металла, что относится в первую очередь к обработке поверхностей с относительно простой геометрией, повышает качество обработанной поверхности, производительность, увеличивает срок службы инструмента, а также дает возможность значительного снижения себестоимости обработки. Однако имеющиеся исследования не позволяют в полной мере использовать перечисленные достоинства при чистовой размерной обработке сложнопрофильных поверхностей типа лопаток турбин и компрессоров, турбонасосных агрегатов, где требуется новые зависимости для управления струей и создание методов перемещения струи по поверхностям табличным методом, где в каждой точке требуется адаптация режима геометрии обрабатываемого участка детали на окончательном этапе обработки.

Исследования, приведенные в [79], позволили раскрыть закономерности протекания тока от среза сопла до места обработки, что определяет плотность тока и точность удаления припуска. Нарушение этого параметра может ограничить точность получаемого профиля, особенно в случае сложнопрофильных элементов деталей. Приведено новое объяснение феноменального эффекта поведения токопроводящих гранул при электрохимической обработке струйным методом. Этот эффект проявляется в том, что гранулы могут проявлять себя в процессе как диэлектрики или проводники, хотя изготовлены из одного материала. Управление таким процессом открывает возможности проектирования новых комбинированных технологий с высокими технологическими возможностями.

Механизм комбинированной обработки

Были проведены исследования по напылению на крупный (диаметр до 0,3 мм) абразив покрытия из никеля. Для этого использовали энергию микровзрыва, при котором частицы металла размером 0,001-10 мкм наносятся на абразив. К сожалению, такое покрытие прикрывает режущие грани зерна, и его добавка в рабочую среду снижает производительность обработки.

Более успешными были попытки наносить токопроводящий слой на абразивные зерна, используя для этого замороженный слой электролита [51]. Здесь использовалась идея, выдвинутая профессором Ю. С. Степановым о возможности применения в струйной обработке гранул льда, полученных путем пропускания воды через жидкий азот.

Происходит наращивание, например на абразивное зерно, слоя льда (рис. 2.9), который сразу же покрывается токопроводящей влагой и жидкой составляющей, например, промышленной водой.

По рис. 2.9 можно понять, каким образом происходит резание такими гранулами поверхности детали зернами абразива 1. При соприкосновении гранулы с деталью лед 2 разбивается, часть его (5) удаляется, и открываются режущие части абразива, который под действием удара струей удаляет припуск. Рис. 2.9. Гранула из абразива 1, льда 2 и слоя влаги 3 в момент соприкосновения с деталью 4; 5 – удаленная ударом часть льда с места соприкосновения гранулы с деталью

Как видно из рис. 2.10, в намораживающей камере 6 на абразивное зерно наносится слой льда (рис. 2.9) из электролита и подается абразивное зерно со слоем льда в смесительную камеру, где он «подсасывается» водяной струей 7, подаваемой через канал и сопло смесительной камеры. Смесительная камера 8 подключена к отрицательному полюсу источника тока 9, а деталь 4 – к положительному. Абразивное зерно 1 с наращенным льдом из электролита направляется на деталь водяной струей 7. При этом в смесительной камере лед заряжается отрицательно. При столкновении происходит скол льда с абразивного зерна и электрохимическое растворение слоя материала детали. Освободившееся от льда абразивное зерно снимает слой материала с детали при последующем его перемещении вдоль оси водяной струи. Электрохимическое растворение поверхности разделения уменьшает дефектный слой и шероховатость поверхности после ее взаимодействия с абразивным зерном.

По способу [51] калибровался профиль алюминиевых листов. В качестве абразива применялся гранатовый концентрат с максимальным диаметром абразивных зерен 0,3 мм. Для образования льда использовалась промышленная вода. Давление струи – 415 МПа. На абразивные зерна наращивался слой льда толщиной 0,05 - 0,1 мм при температуре -150 С. Расстояние от смесительной камеры до разделяемого материала – 5 мм. Скорость перемещения режущей головки вдоль контура разделения – 500 мм/мин. Напряжение на зажимах – 380 В. Достигнута точность профиля 0,05 мм при шероховатости поверхности в зоне обработки Ra = 3,8.

Таким образом, было достигнуто повышение точности и качества поверхности детали за счет дополнительного электрохимического растворения слоя материала с поверхности обработки. Это достигнуто применением комбинированной обработки металлического материала струйным методом с использованием свободного абразива и анодным растворением припуска, где в качестве абразива используют нетокопроводящие абразивные гранулы, на который наращивали слой льда из электролита толщиной не менее высоты выступания граней абразива, при этом абразивные гранулы со слоем льда из электролита подали струей на материал детали, подключенной к положительному полюсу источника тока через смесительную камеру, которая подключалась к отрицательному полюсу источника тока.

Эффективным оказался способ обработки в рабочей среде с использованием смеси абразива и токопроводящих гранул [24]. Здесь нетокопроводящий абразив производит съем припуска с обрабатываемого материала, а токопроводящие гранулы сглаживают вершины неровностей за счет анодного растворения металла детали. При этом снижается шероховатость, толщина дефектного слоя, устраняется шаржирование и удаляется загрязняющий слой с абразива. Но в такой среде происходит снижение скорости съема припуска из-за уменьшения концентрации абразива в струе, нестабильности ее течения, изменения соотношения масс абразива и токопроводящих гранул и турбулентности подающей струи в направлении к заготовке.

Решение проблемы возможно за счет раздельной подачи в зону обработки струи с абразивом и токопроводящих гранул. Такое решение позволяет стабилизировать процесс обработки, независимо регулировать скорость удаления припуска абразивом и анодного растворения материала. Применением предложенной рабочей среды удалось добиться высоких показателей качества, производительности и экономичности комбинированного способа обработки.

Раздельная подача абразива и токопроводящих гранул обеспечивает применение нового способа подвода электрической энергии в зону обработки путем насыщения пористых токопроводящих гранул избыточным давлением жидкости газом [45]. Наличие избыточного давления снижает сопротивление их перемещения в зону обработки, что уменьшает стекание электрического заряда в период их доставки к детали. Это увеличивает возможности чистовой обработки участков, удаленных от среза сопла до 60 - 80 мм.

Для насыщения жидким газом токопроводящие пористые гранулы 1 (рис. 2.11) в рабочей жидкости 2 перемещают под давлением по каналу 3, подключенному к положительному полюсу источника тока низкого напряжения Внутри канала расположен электрод 5, подключенный к отрицательному Рис. 2.11. Схема насыщения газом пористых токопроводящих гранул полюсу источника тока низкого напряжения. Электрод покрыт сетчатым диэлектриком 6, предотвращающим соприкосновение пористых токопроводящих гранул с электродом. Канал через диэлектрическую вставку соединен с соплом 7, подключенным к отрицательному полюсу источник тока высокого напряжения 8. Заготовка 9 подключена к положительному полюсу источника тока высокого напряжения. При подаче тока от источника тока низкого напряжения между электродом и каналом через пористые токопроводящие гранулы и рабочую жидкость происходит электрохимическая реакция с выделением большого количества газа. Скорость выделения газов зависит от интенсивности перемещения гранул через канал. Скорость можно регулировать давлением подачи смеси гранул в жидкости до получения на гранулах сплошной оболочки газа. На гранулах образуется газовая оболочка. Гранулы в струе рабочей жидкости заряжаются от источника тока отрицательно. Газовая оболочка за счет подведенного к соплу газа, выделившегося из гранул, резко снижает сопротивление движению токопроводящих гранул в жидкости, и за счет этого снижаются потери заряда во время транспортировки гранул к детали. Это снижает сопротивление движения гранул, увеличивает интенсивность съема припуска, уменьшает затраты энергии на съем припуска, упрощает и удешевляет конструкцию оборудования и оснастки.

Параметрическая связь между вектором струи и геометрией сложнопрофильных поверхностей детали

При использовании чистовой обработки следует задать, а в ряде случаев вводить, адаптацию электрических (а иногда и гидравлических) режимов процесса. Но такое программирование не вызывает трудностей даже для оборудования без блоков с ЧПУ.

Адаптивные связи требуется установить для учета перемещения струи по контуру детали, что представляет сложную для решения задачу, т.к. такие поверхности в новых изделиях все более усложняются и часто могут проектироваться в чертежах в форме системы точек, координаты которых задают табличным методом.

В случае струйной обработки инструмент не изнашивается, поэтому адаптивные сигналы по этому параметру не требуются. Особый случай представляет изготовление деталей несвязанными гранулами с использованием абразивных (гидроабразивное разделение заготовок) и гладких (электрохимическая обработка рассыпающимся инструментом) гранул, где создание многокоординатных управляющих программ позволяет создать [32], [6] новое научное направление - дистанционное чистовое формообразование деталей любого профиля из металлических заготовок.

Из [100] известно, что при управлении съемом металла по времени обработки на переходных участках заготовок образуется скругление кромок. Для прямых углов (а = 90 радиус скругления в период обработки (обычно не более нескольких минут) может достигать 1 мм. Зная закономерности изменения радиуса скругления, можно управлять получением требуемого радиуса по времени, т.е. получить совершенно новый технологический результат управляемое формообразование точных сопряжений из произвольного начального профиля заготовки. Это актуально для лопаток авиационных и ракетных двигателей, где кромки могут иметь большую закрутку и изготовление таких поверхностей струйным методом дает большой экономический эффект. Эти операции могут достаточно просто выполняться на станках для комбинированной гидроабразивной обработки с непрофилированным электродом путем разделения заготовки на мерные участки, составляющие часть длины [74] сложного геометрического профиля на поверхности обработки.

В [55] в основу создания управляющих программ положены принципы подобия [6] и аналогового моделирования с использованием электрических воздействий (например, через эквивалентное сопротивление). Такой параметр входит во все режимные показатели методов обработки с наложением электрического поля.

В [55] предлагается для построения траектории перемещения инструмента (в нашем случае электрода) использовать кривые Лиссажу, т.е. замкнутые движения точки в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что позволяет описать координаты в любой системе проектирования перемещений с учетом длины струи и расстояния между инструментом и зоной обработки (при малых расстояниях это межэлектродный зазор). Аналогом такой системы является автоматическое управление струей, или известные системы управления электронным и световым лучом при разделении заготовок из листовых материалов.

Выражение через электрические эквиваленты кривых Лиссажу [55] позволяет аппроксимировать алгебраические циклоидные кривые амплитудно-частотно-фазовыми параметрами. Тогда возможно использование для описания траекторий взаимного перемещения инструмента и заготовки системой однопараметрических уравнений, применяемых для кривых Лиссажу. Для этого потребуется установить частотные коэффициенты соответствующих установок. По [55] такие зависимости позволяют получать прямолинейные, круговые, эллиптические траектории. Для кусочно-гладких отрезков (скругления кромок лопаток и др.) возможно использование этого метода при программировании струйной обработки поверхностей, имеющих табличное задание координат точек, например профиля лопаток реактивных и ракетных двигателей. Современная техника для проектирования программ дает возможность при использовании ограниченного количества однопараметрических расчетных уравнений с высокой точностью установить траектории большого числа участков путем перехода к программированию команд через частотные коэффициенты. Изменение начальных фаз позволяет описать не только геометрические образы, но и аналитические свойства объектов, в частности, режимные показатели. Изменение частотных слагаемых систем однопараметрических уравнений дает возможность учесть временные преобразования, что весьма значимо, например, при комбинированной гидроабразивной чистовой обработке. Такой процесс используется для получения окончательного профиля участков, например сопряженных элементов лопаток, кромок шнеков, доводки геометрии сопрягаемых каналов изделий, где нужно получить из кусочно-гладких участков сопряжение с отклонением профиля от расчетного не более 20 - 30 мкм. При этом форма участков кривых слабо предсказуема. Для достижения высокой точности требуется знать закономерности изменения параметров струи, которые носят стохастический характер и трудно поддаются расчетам.

В [55] предлагается описание траекторий движения инструмента выполнять системой однопараметрических уравнений, дающих достаточно полное представление об их геометрических и аналитических свойствах. В прямоугольной системе координат (х, у) управляемые координаты хь; уь

Методика проектирования технологии комбинированного процесса для чистовой обработки сложнопрофильных деталей

Для реализации устройства на деталь (рис. 5.14) устанавливают стороной без контура шаблон из диэлектрической водопроницаемой основы с нанесенным на нее контуром маркируемых знаков из токопроводящего материала. Катод с иголками прижимают к контуру маркируемых знаков до достижения металлического контакта между катодом и контурами знаков. Это обеспечивает сохранность диэлектрического состояния без коротких замыканий. Через пространство между основой и катодом прокачивают под давлением электролит, который, встречая препятствие в виде контура, углубляется в основу. За счет переменной скорости движения электролита возникает его эжекция на выходе из основы и подсос жидкости, создающий газожидкостный состав рабочей среды на выходе из пространства между основой и катодом. Эжекция увеличивает величину ускорения потока 11 (рис. 5.13) до величины, необходимой для выноса через основу продуктов обработки (рис. 5.14). За счет прохождения тока через катод, иголки, контур и электролит под контуром формирует углубления 10 (рис. 5.14), имеющие форму знаков.

Скорость потока рабочей среды регулируют регулятором расхода электролита. Включение и выключение регулятора выполняется по командам блока управления. При этом время, необходимое для маркирования, регулируют скоростью потока, достаточной для образования эжекции и выноса продуктов обработки. По команде от блока (рис. 5.13) регулятор снижает или повышает расход электролита, что вызывает импульсное повышение или снижение его давления и торможение потока пред контуром маркируемого знака. Повышение давления ускоряет протекание электролита через основу и над поверхность детали, ускоряя вынос продуктов обработки, что интенсифицирует съем и выравнивает глубину знаков.

Для устранения накапливания продуктов обработки под контуром объем вводимого в зону обработки углубления электролита и вынесения его через основу должен быть одинаковым, что определяет равенство времени движения и затормаживания во время пауз течения электролита, выравнивая границы получаемых знаков. Была решена задача нанесения на поверхность сложного профиля лопатки из труднообрабатываемого сплава ЖС6К глубокой информации с высотой знаков 5 мм, и с глубиной 0,3 мм.

По патенту был изготовлен и установлен на деталь шаблон с основой толщиной 0,3 мм из плетеных капроновых нитей с просветами между ними и нанесенными на основу знаками из медного сплава с толщиной покрытия 0,4 мм. Прижим к знакам выполняют катодом с иглами диаметром 0,1 мм до достижения контакта игл со всеми знакам. В пространство между основой и катодом подают электролит состава 5% раствора солей NaNO3 и достигают нужной скорости прокачки путем повышения давления электролита до 2 МПа до выступания жидкости на противоположной стороне шаблона. Блок управления поддерживает цикл подачи электролита и пауз через 3,5 сек, после чего подключались катод и деталь к постоянному току с напряжением 6 В.

После обработки в течение 50 секунд на детали были получены углубления по форме информационных знаков с глубиной 0,3 ± 0,1 мм. При этом ширина контура знаков составила 0,5 ± 0,05 мм. Информация, выполненная на сложнопрофильном участке лопатки турбины, отвечала стандартам на маркирование и требованиям, закладываемым разработчиком для изделий нового поколения техники.

Имеющееся оборудование (см. например, главу 2) имеет высокую стоимость (миллионы рублей), основная часть таких станков приобретается за валюту из Японии, Чехии и других стран, поэтому изменять его конструкцию у потребителя невозможно. Попытки вскрыть узлы станка заканчиваются тем, что приходится приглашать представителя фирмы-изготовителя, и оплачивать не только ремонт, но и штрафные санкции. Поэтому при изменении узлов оборудования приходится применять принцип пополнения внешних элементов независимыми устройствами с их привязкой к базовой конструкции без вскрытия станка.

В случае разработки узлов для обеспечения работы электрической составляющей процесса следует учитывать следующее: - не вносить изменений, в том числе в средства настройки и управления, в электрическую часть оборудования; - подачу рабочей среды проектировать так, чтобы электролит не попадал на электрические блоки и подвижные части оборудования; - применять рабочую среду, совместимую с базовой. В частности, целесообразно использовать промышленную воду, употребляемую для формирования струи; - разрабатывать систему управления электрическим полем, которая поддается контролю и корректировке режимов с учетом режимов гидроабразивной обработки в реальном масштабе времени; - все дополнительные узлы, по возможности, помещать вне смесительной камеры, что может вызывать сложности и требует дополнительных затрат. Так при установке токоподвода внутрь камеры удается вставить только токопроводящий цилиндр с изоляцией, выходящий наружу через канал подачи струи. Такой элемент служит катодом, является съемным, и в большинстве случаев не нарушает конструкцию камеры, поставляемой вместе со станком; 130 - при проектировании дополнительных элементов необходимо использовать имеющиеся присоединительные устройства без изменения размеров смесительной камеры; - при подборе гранул использовать их размеры, не превышающие габариты сопла и внутренней поверхности смесительной камеры (кроме создания новой камеры); - смесительные головки, поставляемые со станком (рис. 5.17), представляют сложные устройства, и их невозможно конструктивно изменять под комбинированные процессы. Приведенная на рис. 5.18 рабочая головка 1 с приводом 2 обеспечивает пятикоординатное перемещение струи для поверхностей деталей, имеющих углы уклона до ± 55 градусов, с непрерывным изменением угла. Это удобно для чистовой обработки сложнопрофильных участков, но установить в ней токоподводы практически невозможно, поэтому приходится проектировать специальные головки упрощенной конструкции.

Для чистовой обработки в установках PTV используют сопла с диаметром 0,3 - 0,33 мм при внутреннем диаметре смесительной камеры 0,9 мм. Поэтому приходится применять рабочие головки стандартной конфигурации с измененным диаметром смесительной камеры более 1 мм, или изготавливать новые корпуса с установкой в них катодов и подводов тока через корпус. Схема такой головки приведена на рис. 5.18.