Введение к работе
Актуальность работы. Особое место в совершенствовании и создании новых конструкций принадлежит технолопмм ракетостроения и самолетостроения. В этих отраслях промышленности опережающими темпами идет разработка новейших материалов и технологий, обеспечивающих создание летательных аппаратов (ЛА), характеризующихся минимальной массой и габаритами при максимальной прочности узпов и деталей, таких как лопатки газовых турбин, шнеки турбонасосных агрегатов, трубопроводы. Повышенные эксплуатационные характеристики материалов (прочность, твердость, ударная вязкость, жаростойкость и др.) требуют разработки новых способов обработки и доводки поверхности. Среди них заметное место принадлежит электрохимическому полированию (ЭХП). По сравнению с механическим полированием электрохимическое полирование обладает рядом преимуществ: не происходит деформация поверхностного слоя и исключается возможность внедрения абразивных зерен в поверхностный слой металла; повышается коррозионная стойкость; возможно одновременное полирование большого количества деталей любой конфигурации. Однако применение ЭХП сопряжено с рядом недостатков, сдерживающих широкое распространение:
неодинаковый съем металла из-за неравномерности электрического поля на поверхности обрабатываемых деталей;
применение в качестве электролитов агрессивных кислот и щелочей;
затруднен подвод тока к детали, особенно для поверхностей со сложной геометрией;
значительная длительность процесса (иногда, десятки минут);
сложность полирования внутренних поверхностей деталей.
Процесс электрохимического полирования всё ещё недостаточно изучен, и некоторые его теоретические положения нуждаются в доработке и переосмыслении.
Поэтому изучение способов повышения производительности и расширения технологических возможностей электрохимического полирования, в том числе внутренних поверхностей деталей ЛА, остаются для промышленности актуальными.
Цель работы - повышение производительности и качества обработки деталей ЛА на основе совершенствования технологических параметров процесса электрохимического полирования.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе требуется решить следующие задачи:
теоретически обосновать выбор технологических параметров электрохимического полирования деталей ЛА для получения требуемой шероховатости поверхности;
разработать способ электрохимического полирования деталей ЛА;
разработать физическую и математическую модели процесса электрохимического полирования деталей ЛА;
исследовать влияние технологических параметров на процесс электрохимического полирования;
разработать опытно-экспериментальное оборудование и технологию электрохимического полирования применительно к деталям ЛА;
- разработать рекомендации по практическому применению разработанного спо
соба электрохимического полирования при обработке деталей ЛА.
Объект исследования - технологические процессы отделочной обработки деталей ЛА.
Предмет исследования - процессы, проходящие на границе «электролит - металл - электролит» при ЭХП.
Методы исследований основывались на классических трудах в области теории электрофизических и электрохимических методов обработки, а также математической теории поля. Численное моделирование двумерных электростатических полей в межэлектродном зазоре в условиях электрохимического полирования проведено с применением конечно-элементного пакета COSMOS/M. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных установках с применением статистических методов математической обработки результатов планируемых экспериментов. Металлографические исследования обработанных поверхностей образцов проводились с использованием микроскопа отраженного света "JenaVERT".
Достоверность и обоснованность результатов исследований обеспечена использованием общепринятых теоретических положений электрохимических методов обработки, корректностью применения аппарата математического анализа и принятых допущений, примененных при разработке моделей, близким совпадением с результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна работы:
Предложен механизм электрохимического полирования при повышенных плотностях тока и вибрации. Показано, что вклад вибрации в снижение энергии активации ионного перехода в двойном электрическом слое соизмерим с вкладом электрической энергии. Экспериментально определены режимы электрохимического полирования, которое протекает в условиях активного анодного растворения.
Разработаны алгоритм и методика численного расчета двумерного электростатического поля при электрохимическом полировании с биполярной схемой подключения электродов.
Выявлено влияние технологических параметров (плотности тока і, частоты вибрации^ на шероховатость поверхности.
Получена аналитическая зависимость шероховатости поверхности от электрохимических свойств обрабатываемого материала и параметров обработки, позволяющая прогнозировать изменение шероховатости поверхности в каждом цикле обработки.
Личный вклад автора. Автором получены экспериментальные данные, приведенные в работе, проведена их обработка и систематизация, разработан алгоритм и выполнены численные исследования. Постановка задач исследования и обсуждение экспериментальных данных проводилось совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.
Практическая ценность и реализация работы: Разработан технологический процесс электрохимического полирования деталей ЛА, который позволит расширить сферу применения ЭХП. Даны практические рекомендации по подбору режимов электрохимического полирования для получения заданной шероховатости поверхности. Методика расчета основных технологических параметров электрохимического полирования внедрена и опробована на ОАО «Красмаш». Сформулированы технические требования для разработки технологического оборудования и оснастки, необходимых для реализации ЭХП деталей ЛА. Технологические рекомендации также используются в процессе обучения студентов по направлениям 200503 и 200519.
На защиту выносятся:
Новый способ электрохимического полирования, которое протекает в условиях активного анодного растворения.
Новый способ электрохимического полирования металлов и сплавов, обеспечивающий обработку внутренних и наружных поверхностей, снижение шероховатости поверхности и увеличение производительности.
Результаты теоретических исследований процесса электрохимического полирования с полученной аналитической зависимостью шероховатости от электрохимических свойств обрабатываемого материала и параметров обработки.
Результаты экспериментальных исследований влияния режимов электрохимического полирования на качество и производительность обработки.
Рекомендации по применению нового способа электрохимического полирования и средства технологического оснащения для обработки деталей ЛА.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались: на Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки - развитию сибирских регионов» (г. Красноярск, 1999 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика» (г. Красноярск в 1999 и 2003 г.); VI Всероссийской конференции «Решетнё'вские чтения» (г. Красноярск, 2002 г.); XII и XIII Международной научно-практической конференции «Решетнёвские чтения» (г. Красноярск, 2008 г. и 2009 г.).
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 12 работах (в том числе 2 патента на изобретения).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы, включающего 192 наименования, приложений. Материалы работы изложены на 176 страницах машинописного текста, содержат 11 таблиц, 71 иллюстрацию.
