Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор литературы 10
1.1 Конструктивно-технологический анализ деталей ЛА 10
1.2 Существующие способы резки металла 17
1.3 Основные закономерности процесса ЭКР 25
1.4 Методы расчета температурных полей при ЭКР 30
1.5 Современные методы численного анализа теплофизических процессов 33
1.6 Выводы и постановка задач исследования 34
2 Теоретическое обоснование разработанного способа электроконтактной резки 37
2.1 Исследование тепловых явлений при электроконтактной резке дисковым электрод-инструментом 37
2.2 Математическая модель дуги, как элемента электрической цепи 42
2.3 Физические явления при электроконтактной резке дисковым электрод-инструментом
2.3.1 Оценка электромагнитных сил при электроконтактной резке дисковым электродом 44
2.3.2 Оценка тепловых явлений в дисковом электрод-инструменте
2.4 Разработка методики исследования теплообменных процессов при ЭКР тонкостенных деталей ЛА дисковым электрод-инструментом 54
2.5 Теоретическая оценка удельных энергозатрат 62
2.6 Разработка модели процесса ЭКР 65
Выводы 71
3 Экспериментальные исследования 73
3.1 Методика проведения исследований 73
3.2 Металлографический анализ 79
3.3 Расчет удельных энергозатрат 87
3.4 Измерение микротвердости 93
3.5 Установление адекватности уравнений регрессий наблюдаемым экспериментальным
данным 95
Выводы 104
4 Практическое применение 107
4.1 Реализация разработанного способа ЭКР 107
4.1.1 Установка ручной машины электроконтактной резки - РМЭКР 112
4.1.2 Стационарная установка для электроконтактной резки (СУЭКР) 115
4.1.3 Мобильная установка электроконтактной резки (МУЭКР)
4.2 Технико-экономические показатели ЭКР 130
4.3 Оценка затрат на резку трубы из стали 12Х18Н10Т
4.3.1 Абразивная резка 131
4.3.2 Электроконтактная резка 132
Выводы 135
Общие выводы 137
Список использованных источников 139
Приложение 1
- Основные закономерности процесса ЭКР
- Математическая модель дуги, как элемента электрической цепи
- Металлографический анализ
- Мобильная установка электроконтактной резки (МУЭКР)
Введение к работе
Актуальность работы. Непрерывное совершенствование конструкции летательных аппаратов (ЛА) направлено на улучшение основных параметров их работы, повышение надежности, экономичности в эксплуатации, снижение трудоемкости изготовления. Большая часть деталей ЛА изготавливается из высокопрочных, жаростойких, жаропрочных и коррози-онностойких сталей, технического титана, титановых сплавов. Широкое применение в производстве деталей ЛА и авиадвигателестроении материалов, труднообрабатываемых резанием, вызывает необходимость разработки более экономичных и производительных методов обработки.
Заготовительные операции, такие как резка проката, сортовых и фасонных профилей, отрезка прибылей литниковых систем, занимают суще-ственігую часть процесса изготовления заготовок деталей ЛА. Наряду с механическими методами резки заготовок используются электрохимические и электрофизические методы, в число которых входит электроконтактная резка (ЭКР). По сравнению с другими видами резки металлов электроконтактная резка имеет ряд преимуществ. При ней не требуются жидкие среды и источники постоянного тока, незначительно изнашивается режущий инструмент и применяется безопасное для работы напряжение на электродах. Поэтому вопросы снижения удельных энергозатрат и качества поверхности при ЭКР требуют дальнейшей теоретической и практической доработки.
Однако, широкое внедрение ЭКР сдерживается рядом причин:
высокой энергоемкостью процесса;
низким качеством обработанной поверхности;
повышенным износом инструмента при резке крупногабаритных заготовок.
В связи с этим разработка способов снижения удельных энергозатрат и улучшения качества обработанной поверхности при ЭКР является для промышленности актуальной проблемой.
Цель работы - снижение удельных энергозатрат при электроконтактной резке деталей летательных аппаратов при улучшении качества резки путем совершенствования технологических режимов. '
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе требуется решить следующие задачи:
-
Теоретически обосновать выбор технологических режимов электроконтактной резки деталей ЛА, обеспечивающих снижение удельных энергозатрат.
-
Разработать способ электроконтактной резки деталей ЛА при температуре рекристаллизации в зоне контакта дискового электрод-инструмента (ЭИ) и заготовки.
-
Установить аналитическую зависимость между подачей электрод-инструмента и режимами резки с учетом теплофизических свойств материалов деталей ЛА.
-
Разработать математическую модель процессов теплообмена при электроконтактной резке вращающимся диском.
-
Исследовать влияние технологических режимов на процесс электроконтактной резки.
-
Разработать опытно-экспериментальное оборудование для исследования теплообменных процессов при электроконтактной резке применительно к деталям ЛА.
-
Разработать рекомендации по практическому применению энергосберегающего способа электроконтактной резки при обработке деталей ЛА.
Объект исследования - технологический процесс электроконтактной резки.
Предмет исследования - теплофизические процессы, происходящие в зоне обработки деталей ЛА при электроконтактной резке.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий проведение предварительных экспериментов и на их основе теоретического анализа с экспериментальной проверкой предложенных технических решений в лабораторных условиях. Математическое моделирование тепловых полей в заготовке при ЭКР осуществлено при помощи программно-методического комплекса ANSYS. Металлографические исследования поверхностей заготовок, подвергаемых ЭКР, проведены при помощи микроскопа «Axio Observer». Микротвердость исследуемых образцов определена на цифровом микротвердомере DM8.
Достоверность и обоснованность результатов исследований обеспечена использованием общепринятых теоретических положений электрофизических методов резки, корректностью применения аппарата математического анализа и принятых допущений, применяемых при разработке моделей, близким совпадением с результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна работы:
-
Разработана математическая модель теплообменных процессов при электроконтактной резке быстровращающимся диском, учитывающая особенности распространения теплового фронта при резке тонкостенных деталей из конструкционной и коррозионностоикои стали, алюминиевого сплава, меди, титана и титанового сплава.
-
Получена аналитическая зависимость подачи электрод-инструмента от электрических параметров резки и теплофизических свойств материала заготовки, позволяющая рассчитать энергосберегающие режимы резки.
3 Разработан способ электроконтактной резки металла, при котором зона контакта вращающегося диска и обрабатываемого металла нагревается до температуры рекристаллизации.
Личный вклад автора. Автором проведено теоретическое обоснование параметров резки электроконтактным способом, получены экспериментальные данные, представленные в работе, проведена их обработка и систематизация. Разработаны установки для реализации предлагаемого способа электроконтактной резки. Постановка задач исследования и обсуждение экспериментальных данных проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.
Практическая ценность и реализация работы:
Разработаны технологические режимы электроконтактной резки деталей ЛА, позволяющие расширить сферу применения ЭКР. Даны практические рекомендации по расчету энергосберегающих режимов электроконтактной резки. Сформулированы технические требования для разработки технологического оборудования и оснастки, необходимых для реализации электроконтактной резки тонкостенных деталей летательных аппаратов. Методика расчета основных технологических параметров электроконтактной резки опробована и внедрена на ОАО «Красмаш». Технологические рекомендации используются в процессе обучения студентов по направлению 150400.
На защиту выносятся:
-
Новый способ электроконтактной резки тонкостенных металлических деталей, разработанный с целью улучшения технологических показателей процесса за счет поддержания температуры рекристаллизации в зоне контакта дискового электрод-инструмента и обрабатываемой детали.
-
Результаты теоретических исследований процесса электроконтактной резки с полученной аналитической зависимостью подачи электрод-инструмспта от электрических режимов резки и теплофизических свойств обрабатываемого металла.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния режимов резки на удельные энергозатраты и качество поверхности обработанных заготовок.
-
Рекомендации по применению нового способа электроконтактной резки и средства технологического оснащения для резки заготовок деталей ЛА.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на XI Международной научной конференции, «Ре-шетнёвские чтения», г. Красноярск, 2007 г.; на Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Совершенствование технологий производства цветных металлов», г. Красноярск, 2007 г.; на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука: начало XXI века»,
г. Красноярск, 2009 г.; на VIII Международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов», г. Красноярск, 2010 г.; на X и XII Международной научно-технической уральской школе-семинаре металловедов - молодых ученых, г. Екатеринбург 2009,2011 гг.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 11 работах, в том числе 2 работы в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы, включающего 112 наименований, приложений. Материалы работы изложены на 151 странице машинописного текста, содержат 18 таблиц, 48 иллюстраций.
Основные закономерности процесса ЭКР
Эти условия ограничивают область применения термической резки. Кислородная резка. Обращение с кислородом требует повышенного внимания. В настоящее время наибольшее распространение получила газокислородная резка. Технически возможные пределы толщины разрезаемого металла 2,5 - 260 мм, скорость резки 20 - 700 м/мин, разрезаемые материалы: углеродистые и низколегированные стали. Параметры газокислородной резки сильно зависят от чистоты и давления кислорода.
Кислородно-дуговую резку применяют для углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и чугуна. По чистоте обработки кислородно-дуговая резка не уступает кислородной, а по производительности в ряде случаев превосходит её. Резку ведут трубчатыми металлическими, керамическими и обычными электродами для ручной сварки.
Недостатком этого способа резки является науглероживание поверхностного слоя металла. Разделительную и поверхностную резку используют для листового и профильного металла, удаления дефектных участков сварных швов, снятия фасок. Поверхностной резке подвергают большинство чёрных и цветных металлов, разделительной - углеродистые и легированные стали, чугун, латунь. Однако цветные металлы и чугун поддаются резке хуже, чем стали. Резку выполняют с помощью угольных, угольных омеднённых и угольно-графитовых электродов диаметром 6 - 12 мм [22].
Среди способов дуговой резки в настоящее время применяется воздушно-плазменная резка. Для воздушно-плазменной резки требуются источники постоянного тока с повышенным напряжением холостого хода 180 В и более, поэтому используются специальные источники тока или обычные сварочные источники питания, соединенные последовательно [23].
При воздушно-плазменной резке непосредственно на плавление металла тратится 14 - 30 % энергии дуги и плазмы [24], при электроконтактной резке на режиме дуги на полезную работу уходит не менее 50 % энергии [25].
Для воздушно - плазменной резки необходим сжатый воздух при расходе не менее 10 л/мин и вода для охлаждения плазмотрона.
В плазмотронах имеются катоды и сопла, срок службы которых зависит от интенсивности их охлаждения водой, выбора рациональных энергетических, технологических параметров и величины расхода воздуха. Это усложняет эксплуатацию воздушно-плазменных установок. Способ экономически выгоден при резке углеродистых и легированных сталей толщиной 4-25 мм [21].
Для резки специальных сталей, цветных металлов и других материалов, не поддающихся огневой резке обычными способами, а в ряде случаев и для резки обычных углеродистых сталей применяют плазменную резку. Плазменная резка подразделяется на резку плазменной дугой и плазменной струёй. Плазменной дугой режут металлы, труднообрабатываемые другими способами, плазменной струёй - тонкий металл.
С экономической точки зрения резка плазменной дугой целесообразна для обработки углеродистых и легированных сталей толщиной до 50 мм, ме ди толщиной до 80 мм, алюминия и его сплавов толщиной до 120 мм, чугуна -до 90 мм [22]. Абразивная резка Самое широкое распространение в промышленности имеет абразивная резка [26]. Этот метод использовался для отрезки заготовок от проката из различных материалов сечением до 150 мм. При увеличении разрезаемого сечения резко увеличивается мощность привода главного движения, снижается производительность резки и увеличивается износ абразивных кругов. Глубина дефектного слоя - до 1,0-1,5 мм. Ширина прорези составляет 3-Ю мм. Производительность максимальная 380 - 385 мм2/с, при резке прутка диаметром 80 мм [27].
Основной недостаток абразивной резки - значительный износ дорогостоящего круга - от десятых долей до нескольких миллиметров за один рез или 300 - 500 % от объема снятого металла [28]. За счет большого износа дорогого инструмента применение абразивной резки в настоящее время не всегда экономически целесообразно. Гидроабразивная резка Гидроабразивная резка (ГАР) - технологическая альтернатива традиционным методам разделительной резки - газокислородной (автогенной), плаз-менно-дуговой и лазерной [29]. ГАР струей воды высокого давления с добавкой мелкого абразивного порошка имеет ряд принципиальных отличий, которые обеспечивают высокую универсальность процесса и значительно расширяют области ее рационального применения: - материал, прилегающий к зоне реза, не подвергается перегреву выше 100 С и структурным изменениям, не возникают термические деформации заготовок; - одним и тем же оборудованием могут быть разрезаны или обработаны любые материалы с высокой прочностью и отличными физико химическими свойствами (стали, сплавы цветных металлов, керамика, стекло, мрамор, железобетон и др.), что определяет универсальность процесса; - процесс отличается высокой экологической чистотой (исключая шумовое воздействие), полной пожаро- и взрывобезопасностью.
Физическая суть механизма гидроабразивной резки состоит в отрыве и уносе из полости реза частиц основного (разрезаемого) материала скоростным потоком ударяющихся и скользящих по поверхности реза твердофазных частиц. Устойчивость истечения и эффективность воздействия двухфазной струи обеспечиваются оптимальным размером частиц, равным 10-30% диаметра режущей струи. В качестве абразива обычно используют порошки твердосплавных сплавов, карбидов, окислов. Выбор абразива зависит от вида и твердости разрезаемого материала. Так, для высоколегированных сталей и сплавов титана применяют особо твердые частицы граната, для стекла - соответствующие фракции обычного песка, для пластмасс, армированных стеклом или углеродными волокнами, - частицы силикатного шлака. Благодаря особенностям процесса ТАР обеспечивается очень малая ширина реза и незначительное количество материала, идущего в отходы, а также высокое качество поверхности реза, приближающееся к качеству грубого фрезерования.
Номенклатура материалов, для резки и обработки которых применима современная технология ГАР, почти не ограничена. Эффективность ГАР различных классов легированных сталей и сплавов значительно выше в сравнении с процессами лазерной и плазменной резки и практически сопоставима с газокислородной резкой низкоуглеродистых конструкционных сталей.
Математическая модель дуги, как элемента электрической цепи
На рисунке 6 в зонах I, II и III показаны положения капли расплава, обозначенные символами Аь Ац, Аш, а также положительное направление движения капли расплава под действием электромагнитных сил, обозначенных соответственно i Fn и Fin. Для каждого из положений капли расплава за начало отсчета расстояний взяты три точки Оь 02 и 03. Участки, по которым протекают токи, взаимодействующие с каплей расплава Аь обозначены Д и 2ь с Ап- 1ц и 2ц, с Аш - 1щ, 2ш и Зщ.
Проведен расчет электромагнитных сил, действующих на каплю расплава при резке нержавеющей стали аустенитного класса, толщиной 0,015 м, дисковым электрод-инструментом толщиной 0,5 м. вращающегося со скоростью 2850 об/мин при силе тока 1000 А. боковой зазор 1 мм. Расчет проведен согласно методике [66]. В результате получены силы, действующие на каплю расплава в зонах: Fin - 6-І-Вш ; Fn - 5-I-Bn; Fi - 5-1-Bb где 5 - боковой зазор, мм; I - рабочая сила тока, А; Вщ, Вц, В{ - магнитная индукция в соответствующей зоне. Fni = 3,55-10-2H; Р„ = 0,34Н; Fj= 3,07 Н.
Таким образом, при ЭКР на токах в несколько тысяч ампер в результате взаимодействия магнитных полей токоподводов электрической цепи станка и дугового разряда образуются значительные по величине электромагнитные силы, способные эффективно эвакуировать расплав МЭП при ЭКР. Управлять направлением выброса расплава из зоны обработки можно путем взаимного расположения токоподводов и заготовки относительно электрод-инструмента.
При ЭКР на небольших рабочих токах влиянием электромагнитных сил на каплю расплав можно пренебречь.
Так, детали летательных аппаратов (стенки камеры сгорания, лопатки ротора турбины, волноводы, трубопроводы) являются тонкостенными поэтому их резка осуществляется на рабочих токах менее 100 А. Значения сил при малых токах следующие: - при токе 10АFI 0,03 Н; - при токе 20АFI 0,06 Н; - при токе 30AFI 0,12 Н. Полученные результаты позволяют пренебречь влиянием электромагнитных сил при обработке деталей летательных аппаратов.
Для улучшения показателей электроконтактной резки и для нормальной работы установок необходимо снизить воздействие высоких температур на дисковый ЭИ. Износ ЭИ известным образом зависит от теплофизических свойств материала диска и скорости его охлаждения. Износ диска падает, если созданы условия для высокой скорости скольжения электродного пятна и наличия резкого различия в глубине прогрева поверхностных слоев обрабатываемой заготовки и ЭИ. Последнее достигается применением повышенных скоростей вращения диска, обеспечивающих линейную скорость периферии электрода 40 - 60 м/с [26]. Такие скорости вращения позволяют получать относительный износ диска из углеродистых сталей конструкционных материалов 3 - 5% при электроконтактной обработке в воде и 0,8 - 1,2% в воздухе [70].
Рисунок 7 - Взаимодействие размягченного металла с ЭИ Кроме этого, анализ физических явлений при ЭКР металла в размягченном состоянии показывает, что происходит взаимодействие размягченного металла с материалом электрод - инструмента. Наблюдается налипание металла на диск (рисунок 7), что объясняется действием силы трения и проявлением сил адгезии. Зона резания в данном случае находится в состоянии общего пластического течения, происходит молекулярное схватывание поверхностей металла и инструмента [71]. Мелкие налипшие частицы образуют на поверхности инструмента тонкий равномерный налет. Данное явление способствует защите диска от износа и препятствует короблению.
Влияние химического состава инструмента на механизм и силу трения связано с изменением величины адгезионных сил. Ярко выраженной склонностью к налипанию на инструмент обладают нержавеющие стали, в т.ч. 12Х18Н10Т. С увеличением содержания углерода в стали в структуре металла растет объем фазы, обладающей пониженной склонностью к схватыванию (адгезии). Составляющие перлит, ледебурит, цементит, графит имеют относительно низкую склонность к адгезионному взаимодействию с собственно металлическими фазами ферритом и аустенитом. Активны в отношении налипания алюминий и его сплавы, титан, цинк, свинец [71, 72].
Решение тепловой задачи для инструмента необходимо рассматривать отдельно в связи с отличием характера источника теплового потока и много большим скольжением электродного пятна, чем на заготовке. Для ЭИ тепловая задача решается, как для подвижного источника (электродного пятна), перемещающегося вдоль поверхности периферии диска со скоростью скольжения [42].
Скорость скольжения электродного пятна на диске наибольшая, примерно равная окружной скорости точек диска, когда рабочей средой является воздух. Движение электродного пятна вместе с диском соответствует отсутствию скольжения.
Чем выше скорость скольжения, тем меньше пространственное сосредоточение теплового потока на поверхности ЭИ, поскольку электродное пятно попадает на новые набегающие участки диска, а тепловой поток, поступающий из канала, распределяется на большей поверхности. Такое «размазывание» теплового потока снижает его среднюю плотность, которая становится уже недостаточной для проплавления или испарения материала ЭИ. Следовательно, вращение диска приводит к тому, что плотность теплового потока на единицу поверхности диска оказывается меньше его плотности в канале разряда. В результате, поверхностные слои ЭИ могут лишь нагреваться, а не плавиться, поскольку теплота, успевает отводиться в его внутренние области. Средняя плотность теплового потока на диске определяется величиной [42]: d«;l« 8Vп (14) где /Зд - постоянная, определяющая долю электрической мощности, отводимой на диск; Р - электрическая мощность разряда; ,.„ - диаметр электродного пятна, м; 1д - длина части окружности ЭИ под электродным пятном, м; qK - тепловой поток из канала, Вт/м2; гд - радиус диска, м; п - частота вращения дискового ЭИ, об/мин. Время, за которое поверхность диска нагревается от начальной температуры до температуры плавления; Twi m.d. [тт.д т,) %а (15) где Хт.д - теплопроводность материала ЭИ Вт/м"К; аД - температуропроводность материала ЭИ; Tm.d температура точки плавления; Т0 - начальная температура поверхности диска; qd - средний удельный тепловой поток на диске, Вт/м2. Расчеты по формулам 14 - 15 показывают, что средняя плотность теплевого потока на диске составляет 1-Ю7 Вт/м2, а время, за которое поверхность диска нагревается от начальной температуры до температуры плавления - 1240 с. Среднее время резки тонкостенных деталей ЛА предлагаемым способом много меньше полученного, что говорит о том, что за время резки поверхность ЭИ не успевает нагреться до температуры плавления, о чем так же свидетельствует график зависимости глубины проплавления ЭИ от скорости вращения (рисунок 8).
Металлографический анализ
Из графика 35 видно, что с увеличением подачи электрод-инструмента увеличиваются удельные энергозатраты при резки медных образца марки М1, несмотря на высокий коэффициент теплопроводности меди. Это объясняется тем, что механические свойства меди изменяются с температурой немонотонно [93]. При нагреве обычно фиксируются три температурные зоны изменения свойств. От комнатной температуры до 200-250 С медь имеет относительно высокие показатели пластичности и прочности. При более высоких температурах наблюдается изменение свойств. При температуре рекристаллизации активизируются диффузионные процессы, и в этих условиях наблюдается резкое разупрочнение и снижение пластичности.
Таким образом электроконтактная резка меди марки Ml при температуре рекристаллизации должна осуществляться при подаче ЭИ 1,4-1,8 см/с.
Микроструктура титановых образцов (труба марки ВТ 14) показала, что при ЭКР при плотности тока 1 = 17А/мм и подаче ЭИ 2,46 см/с оплавление металла не произошло. Удельные затраты электроэнергии на данном режиме составили о,11 кВт-ч на 1 кг снятого металла. !
Для резки титановой пластины (таблица 8) рекомендуемые режимы; со значением плотности тока 1 = 2,5 А/мм2, 1 = 3,8 А/мм“ и 1 = 5,8 А/мм и 9,4 А/мм2. При указанных режимах удельный расход энергии составляет 0,14 кВт-ч/кг - 0,03 кВт-ч/кг. графики 36, 37 показывают, что для титановых образцов: пластины марки ВТ1 и трубы марки ВТ14 с увеличением подачи электрод-инструмента увеличиваются удельные энергозатраты при ЭКР данных образцов. Это объясняется тем, что скорость движения температурного фронта снижается с увеличением подачи в связи с низким коэффициентом теплопроводности титана.
Титановые сплавы относятся к конструкционным материалам с высокой удельной прочностью. Коэффициент теплопроводности титана (18,85 Вт/(м-К)) почти в 13 раз меньше, чем у алюминия и в 4 раза ниже, чем у железа. Титан обладает большим удельным электросопротивлением и низким коэффициентом линейного термического расширения. Сплав системы Ti-Al-Mo-У - ВТ 14 имеет высокую технологичность в закаленном состоянии, необходимую для изготовления сложных деталей с высокой прочностью после старения и обладает хорошей свариваемостью [94].
Метод микротвердости предназначен для определения микротвердости тонких металлических образцов, а также хрупких материалов. Метод микротвердости стандартизован [95]; в качестве индентора при измерении микротвердости используется правильная четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136". Эта пирамида плавно вдавливается в образец при нагрузке. Определение микротвердости производили с помощью цифрового микротвердомера DM8, устройство которого представлено на рисунке 38. О /J - регулировочный болт; 2 - корпус лампы; 3 - линта А (х40); 4 - панель управления; 5 - линза В(х 10); 6 - рукоятка перемещения столика; 7 - верхняя крышка; 8 - электронный измерительный микроскоп; 9 - рукоятка выбора нагрузки; 10 - револьверное устройство; 11 - измерительный столик; 12 - боковая панель; 13 - лампа включения;
С помощьЮ микроскопа 8, прибор позволяет выбрать участок, на котором необходимо измерить твердость. Для каждого образца выполнено по 4 измерения: в сердцевине образца и в зоне температурного воздействия, на продольном и поперечном срезе. Для каждого измерения проводилось по 3-5 замеров и вычислялось среднее значение. Интервал между значениями микротвердости в зоне термического воздействия и в центре образца позволит сделать вывод о качестве обработанной поверхности при ЭКР предлагаемым способом.
В таблице 6 представлены средние значения микротвердости образцов, резка которых проходила при температуре рекристаллизации в зоне контакта дискового ЭИ и заготовки. Таблица 6 - Среднее значение микротвердости исследуемых образцов
Измерения показывают, что на расчетных режимах резки интервал между значениями микротвердости в зоне термического воздействия и в центре образца невысок, что является подтверждением отсутствия дефектного слоя при данном способе ЭКР.
Количественной мерой адекватности является отношение дисперсии 8 , определяемой рассеянием значений уі вокруг линии регрессии, к дисперсии Sy естественного рассеяния значений у1 вокруг своих средних yt, т.е. ошибки, обусловленные заменой истинной зависимости на выборочную регрессию, находятся на уровне естественного разброса наблюдаемых величин [96]. Проверим адекватность уравнений регрессии экспериментальных зависимостей, представленных на рисунках 33-37. Проверку адекватности регрессии произведем на примере данных по образцам 12Х18Н10Т при доверительной вероятности а = 0,95, представленных в таблице 7.
Мобильная установка электроконтактной резки (МУЭКР)
Надежная и долговечная работа контактного соединения обеспечивается, если температура его в месте стыка не превышает допустимой величины АТк.доп =45 С [109]. Номинальное сечение провода длинной (питающей) сети известно из паспортных данных источника питания. При номинальном токе / = 500 А рекомендуемое сечение медных проводов Sn.c. = 10 мм (при напряжении питания Un = 380 В) и Sn.c. = 16мм (при напряжении питания Un = 220 В). Номинальное сечение короткой сети одного кабеля SK.C. = 50,3 мм . Допустимая потеря напряжения в проводах должна составлять менее 5% от рабочего значения. Потери определим по формуле [110] : K=r0-P-l-x0-P-lg p (47) иР где г0, х0-удельные активное и индуктивное сопротивления линии; Р - мощность источника питания; / - длина линии (кабеля); tgcp (тангенс угла р) определяется из значения cosy, для установки электроконтактной резки cos(p = о,8-0,9 [62]; Up - рабочее напряжение, определяется из характеристики источника питания. Из опытных данных принимаем Up= 18 В.
Расчетное значение tg p = 0,47 - 0,75, примем tg p = 0,61. Рассчитаем допустимые потери короткой сети, сечение одного кабеля S = 50,3 мм , длина /=1м. Удельное активное сопротивление: - 0,0162-10-6 к322Л0- Ом/ж (48) 0 S 50,3-Ю-6 Индуктивное сопротивление определяется по известному выражению: х0=2-я-/-/, (49) 126 где L - индуктивность линии, Гн. Индуктивность сети длиной 1 км [104]: Z,=0,4 f (D Л In V j \ + 0,25 Ю-3 =0,4 4-10 3 J л + 0,25 ) 10-3 1,66-10-3ІХ (50) где Do - расстояние между кабелями. Д, Ro = 4 мм. После подстановки получим: Индуктивность 1 м короткой сети: см; Ro - радиус кабеля, -6 L = 1,66-1 (Г Гн. Индуктивное сопротивление короткой сети по (49): х0=2 -50-1,66-10-6«0,52-10-3Ож Потеря напряжения в короткой сети при мощности источника питания 8,5 кВт: К = 0,52 КГ4
Оценим потери напряжения в сети питания трансформатора при Sn.c.=\0 мм2 и Up = 220 В. Индуктивным сопротивлением длинной цепи можно пренебречь, т.к. оно на два порядка меньше активного сопротивления этой цепи: —
Конструкция электрода инструмента (ЭИ) Электроды-инструменты должны удовлетворять следующим требованиям [40]: - рабочая группа ЭИ должна иметь минимальную твердость для уменьшения тепловых потерь; - материал ЭИ должен иметь минимальное удельное электрическое сопротивление с целью снижения тепловых потерь; - для уменьшения коробления ЭИ рекомендуется применять радиальные термокомпенсационные разрезы; - при использовании боковой схемы расположения токопроводов толщину ЭИ нужно рассчитывать из условия прогиба от максимально возможной электрической силы; - угловая скорость вращения ЭИ не должна быть кратной частоте используемого переменного напряжения, во избежание неравномерного износа рабочей части ЭИ; - для ликвидации боковых разрезов рекомендуется покрывать торцевые поверхности ЭИ, например, двуокисью алюминия, которая наносится плазменным напылением.
Для мобильной электроконтактной установки рекомендуется гладкий дисковый ЭИ диаметром 200-300 мм, толщиной 1 мм, выполненный из стали углеродистой обыкновенного качества марки СтЗ. Внешний вид установки представлен на рисунке 48.
В настоящее время на производстве резку деталей трубопроводов осуществляют на абразивно-отрезных установках, фрезерно-отрезных и токарных станках. На основе результатов экспериментальных исследований установлено, что применение разработанного способа ЭКР для резки тонкостенных деталей летательных аппаратов позволяет сократить время резки и снизить удельный расход электроэнергиии.
Для сравнения экономической эффективности применения электроконтактной и абразивной резки при производстве заготовок деталей ЛА произведена оценка общих затрат на резку проката из нержавеющей стали [112].
Резка круглого проката осуществляется абразивно-отрезном станке 8А240абразивным кругом диаметром 300 мм, толщиной t = 3 мм [111]. Объем удаленного металла при толщине проката 1,3 мм, 0 16,1 мм и ширине реза п=3 мм: Ум = DH2 D2 4 " 4 J , = 3,14. ГібД2 13,521 4 3-10-3=0,181.10-6M3. Износ абразивного круга составляет 200 - 300 % от объема удаленного металла [27]: Я = .4 = 0,181.10-6.2 = 0,36.10-6,м3. Допустимое уменьшение радиуса абразивного круга 1/2, при этом максимальный износ круга по формуле: Vm-7t 1 Ч- RD-R V D (51) Имакс=Л ( 0Д52- 0Д5---0Д5 V 3-Ю-3 «ОД59-Ю-3 м\ Одного абразивного круга будет достаточно для количества резов (заготовок): п = Иш ИКр (52) -3 0,159 -10 0,72-10 п = г- « 442 131 Мощность электродвигателя привода главного движения N = 10 кВт [111] при времени отрезки проката 7 сек, затраты электроэнергии на один рез - Q3n =101,9-10"3 1,9-10 "2 кВт-час. Расход абразивного круга на один рез: q = - = — 2.26- 10 шт/рез. п 442 р Абразивный вулканитовый круг 0 300 мм стоит 70 руб. На один рез приходится Скр = 0,16 руб. стоимости абразивного круга. При стоимости 1 кВт-ч электроэнергии q = 2 руб., общие затраты на один рез: Общие затраты на один рез:
