Содержание к диссертации
Введение
1 Технологические методы обеспечения эксплуатационных показателей деталей с щелевыми каналами 11
1.1 Типовые детали с щелевыми каналами 11
1.2 Особенности эксплуатации деталей с мелкоразмерными проточными щелевыми каналами 19
1.3 Технологические трудности обработки щелевых каналов 21
1.4 Методы получения мелкоразмерных каналов 24
1.4.1 Традиционная лезвийная обработка 24
1.4.2 Технологическое устранение прерывистости процесса обработки 26
1.4.3 Нетрадиционные методы обработки 28
1.4.4 Комбинированные методы 34
1.4.5 Формование каналов при получении заготовки 35
1.4.6 Методы доводки мелкоразмерных отверстий пластическим деформированием 38
1.4.7 Методы доводки мелкоразмерных каналов с помощью абразива 46
1.5 Механизм гидроабразивного воздействия на поверхность щелевого канала 49
1.6 Методы контроля эксплуатационных параметров деталей с каналами 53
1.6.1 Методы объемного контроля 53
1.6.2 Методы контроля качества распыла 61
Выводы 65
2 Методология технологического обеспечения качества обработки деталей с щелевыми каналами 66
2.1 Рабочие гипотезы 66
2.2 Выбор метода технологического обеспечения эксплуатационных показателей деталей с мелкоразмерными щелевыми каналами 67
2.3 Анализ возможных технологических схем комбинированной обработки щелевых каналов 70
2.4 Основные критерии, определяющие качество комбинированной обработки деталей с проточными щелевыми каналами 74
2.5 Лабораторное и экспериментальное оборудование 76
2.6 Программа выполнения работы 84
Выводы 84
3 Моделирование процесса комбинированной обработки 86
3.1 Механизм процесса комбинированной обработки каналов 86
3.2 Моделирование процесса комбинированной обработки каналов 88
Выводы 96
4 Эксперементальньное исследование процесса комбинированной обработки 97
4.1 Требования к параметрическим испытаниям деталей с щелевыми каналами 97
4.2 Средства технологического оснащения для испытаний 98
4.3 Экспериментальная проверка расчетных режимов обработки 101
Вывод 105
5 Разработка технологии комбинированной обработки щелевых каналов и пути ее реализации 106
5.1 Основные задачи проектирования технологии комбинированной обработки 106
5.2 Основные этапы проектирования технологического процесса комбинированной обработки мелкоразмерных проточных каналов 107
5.3 Выбор параметров абразива 108
5.4 Разработка рекомендаций по созданию опытного оборудования и проектированию серийных станков 112
5.5 Расширение области использования разработанной технологии в машиностроении 113
Выводы 114
Результаты и выводы по работе 115
Библиографический список
- Особенности эксплуатации деталей с мелкоразмерными проточными щелевыми каналами
- Анализ возможных технологических схем комбинированной обработки щелевых каналов
- Моделирование процесса комбинированной обработки каналов
- Экспериментальная проверка расчетных режимов обработки
Особенности эксплуатации деталей с мелкоразмерными проточными щелевыми каналами
Детали с мелкоразмерными проточными каналами, типовыми представителями которых являются золотники, кольца завесы, высоконапорные щелевые форсунки, широко используются в агрегатах подачи энергетических установок, двигателей и технологического оборудования для базовых отраслей промышленности. Для получения минимального сопротивления при перемещении рабочего тела к проточной части предъявляются повышенные требования по качеству обработки и работоспособности поверхностей в условиях нестационарных термодинамических нагружений и агрессивных сред [25, 41, 42,
Внешний вид смесительной головки ЖРД Также деталями с проточными щелевыми каналами являются прецизионные пары, выполняющие функции пар трения и чувствительных элементов регулирующих устройств, которые являются одним из основных элементов, определяющих надежность работы топливно-регулирующей системы в ЖРД [13]. Детали с щелевыми каналами зачастую применяются группами. Например, это детали типа форсунок в камерах сгорания ракетных двигателей (рисунок 1.11). Важно получение стабильности эксплуатационных показателей, так как от этого зависит стабильность, качество и долговечность работы смесительной головки. В отечественной промышленности это является актуальной и остро стоящей задачей, так как многие изготавливаемые детали имеют широкий разброс эксплуатационных параметров. Щелевые каналы для технологических устройств в виде насосов, перекачивающих струйных устройств подвержены абразивному износу [46], что может менять их характеристики. Работа деталей с каналами, применяемых в наукоемких отраслях промышленности, характеризуется качеством распыла компонентов, который определяется следующими эксплуатационными параметрами: 1. Тонкостью распыла, оцениваемой некоторым средним размером капель, получаемых в факеле распыла. Чаще всего используется медианный диаметр. 2. Однородностью распыла, т.е. диапазоном изменения размеров капель в факеле распыленного топлива. Чем меньше этот диапазон диаметров образовавшихся капель, тем однороднее распыл топлива. 3. Дальнобойностью факела, т.е. глубиной проникновения распыленного топлива в газовую среду. 4. Равномерностью расходонапряженности, т.е. равномерностью распределения жидкости в факеле распыла. 5. Средним углом распыла, измеряемым у среза сопла. 6. Объемным или массовым расходом [21]. Обеспечение этих эксплуатационных параметров является сложной технологической задачей.
В различных отраслях промышленности достаточно широкое применение находят детали с щелевыми каналами и прерывистыми поверхностями.
В изготовлении подобных деталей остро стоящей технологической проблемой является инструментальное обеспечение и выбор способа обработки для воспроизводства заданных точностных и качественных показателей. Труднообрабатываемые износостойкие, жаропрочные и коррозионностойких материалы плохо поддаются обработке традиционными методами обработки и традиционными инструментальными материалами. Поэтому требуются дополнительные решения, вплоть до внесения изменений в конструкцию детали. Известны причины, обусловливающие неустойчивый характер процесса резания: цикличность за счёт чередования гладких и прерывистых участков обрабатываемой поверхности заготовки, изменения и колебания сил резания, температуры, а также изменение условий стружкообразования. Нестабильность прерывистого резания влияет на износ инструментов, определяет стойкость и, в конечном счете, качественные показатели процесса. Прерывистое резание характеризуется цикличностью: через промежутки времени, измеряемые секундами или долями секунд, резание чередуется с холостым пробегом режущей кромки инструмента. Начало каждого резания осуществляется или при нулевой (например, при встречном фрезеровании), или при всей заданной толщине (строгание) срезаемого слоя. Возникает ряд специфических явлений, в результате которых изменение стойкости инструмента подчиняется иным зависимостям, чем при непрерывном резании. Особенности этих закономерностей резко проявляются при работе твердосплавным инструментом и инструментом из композитов, а также при статико-импульсной обработке [22, 27, 28, 72]. Другая сложность возникает в случае, когда величина скругления кромок в месте прерывания рабочей поверхности не должна притуплять угла без наличия заусенцев. Подобное требование часто является обязательным в деталях ракетной техники, в частности в прецизионных парах (рисунок 1.12) с ще Рисунок 1.12 – Кромка канала плунжера левыми каналами.
На сегодняшний день для обработки прерывистых поверхностей кромок щелевых каналов широко распространена обработка связанным абразивом, но такой способ имеет существенное ограничение в случае недопустимости скругления в месте прерывания рабочей поверхности.
Подобные требования затрудняют обработку точной поверхности с пазами абразивными кругами: попадая в паз, инструмент за счет радиального усилия смещается за нижний предел допуска и, при выходе из паза, врезается в противолежащую кромку (рисунок 1.13) [69], несмотря на использование оборудования с высокой степенью жесткости технологической системы.
Анализ возможных технологических схем комбинированной обработки щелевых каналов
При получении каналов в деталях, работающих в условиях высоких нагрузок, агрессивной среды и повышенных температур, важное значение приобретают вопросы обеспечения конструктивно и технологически обусловленных эксплуатационных параметров.
При изготовлении и последующих испытаниях деталей выявляется недопустимо высокий процент деталей с эксплуатационными параметрами, отличными от заданных. Исправление или доводка таких деталей является трудоемкой, нетехнологичной операцией. Обеспечение требований по расходу и качеству распыла при изготовлении этих изделий достигалось в основном применением традиционных методов лезвийной обработки, использованием электрохимической доводки и применения разных режимов обработки.
Объектом исследования являются детали с проточными поверхностями малого сечения, наиболее проблемными из которых являются детали с щелевыми каналами: кольца завесы (рисунок 1.1 и рисунок 2.2). Они применяются в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей, ЖРД, в технологическом оборудовании, топочной технике, химической промышленности [94].
Основная технологическая сложность состоит в том, что щелевые каналы высотой менее 2 миллиметров не позволяют достаточно эффективно использовать традиционные средства металлообработки, а так же контроля показателей качества поверхности и ее геометрии при профилировании каналов в процессе изготовления таких деталей. Помимо прочего, существующие методы обработки щелевых каналов усугубляют оставшиеся после предыдущей обработки дефекты. Эти дефекты очень сложно обнаружить, так как они находятся в труднодоступных местах и после сборки их практически невозможно устранить, так как зачастую сборка производится неразъемными методами.
Решение задачи технологического обеспечения заданных эксплуатационных показателей таких деталей сводится к получению стабильного расхода и других специальных требований (например, обеспечения угла распыла рабочего тела).
Известно несколько перспективных технологических методов обработки деталей с мелкоразмерными проточными каналами в зависимости их формы и обеспечиваемых эксплуатационных параметров (глава 1): – дорнование [74]; – электроэрозионное прошивание [97]; – доводки проточного отверстия с помощью иглы [52]; – струйная электрохимическая обработка [55, 78]; – абразивно-экструзионная обработки деталей [54]; – аддитивные технологии [24].
Настройка режимов комбинированной доводки проводится с использованием образцов-свидетелей из контрольного материала (12Х18М10Т), обрабатываемых с оснасткой (рисунок 2.1). Выбор оптимальных режимов комбинированной обработки, обеспечивающих стабильность эксплуатационных показателей деталей с мелкоразмерными проточными каналами, проводится с учетом условия обеспечения расходных и точностных характеристик детали без последующей доводки.
Предварительная экспериментальная проверка расчетных параметров комбинированной обработки по обеспечению требуемого расхода подтвердила возможность их использования при проектировании технологического процесса. Полученные результаты дают возможность реализовать комбинированную доводку мелкоразмерных проточных каналов с обеспечением заданных показателей качества
Мелкоразмерные детали с проточными щелевыми каналами (рисунок 2.3) имеют различную геометрию, могут выполняться из труднообрабатываемых износостойких и жаропрочных материалов. Малые размеры сечений не позволяют достаточно эффективно использовать традиционные средства металлообработки и контроля показателей качества поверхности, а так же геометрии.
Поэтому контроль обеспечения заданных эксплуатационных показателей производится после окончательного изготовления деталей при параметрических испытаниях на специальных стендах в составе агрегата или индивидуально с последующей настройкой, что является очень сложной и дорогостоящей операцией [86].
Особенно большие трудности в этом случае вызывает необходимость чистовой калибровки рабочих участков каналов по результатам испытаний, что становиться равноценным процессу их нового формообразования.
Попытки сокращения объема испытаний и доработок за счет селекционного подбора деталей [73] приводят в конечном итоге к широкому разбросу конечных показателей, что не обеспечивает надежность изделий и их работоспособность в экстремальных условиях эксплуатации.
Предложенные и обоснованные автором гипотезы позволили разработать новый способ комбинированной электрохимической обработки с добавлением абразива в рабочую жидкость, прокачиваемую через канал детали. К особенностям предложенного способа относится возможность избирательного исправления геометрических дефектов поверхности от предшествующей обработки. Последнее позволяет повысить стабильность получения эксплуатационных показателей за счет получения стабильного микропрофиля поверхности и избирательное выравнивание микропрофиля поверхности в условиях ограниченного пространства.
Моделирование процесса комбинированной обработки каналов
На базе выдвинутых гипотез и разработанного способа (глава 2) исследован механизм обработки, в котором воздействия рассматриваются как обобщенный управляемый процесс формирования требуемых стабильных показателей систем охлаждения с постоянным параметрическим контролем.
Суть способа заключается в прохождении потока токопроводящей жидкости с добавлением низкой концентрации абразива через проточной канал обрабатываемой детали. На технологическую систему подают ток напряжением 8-10 В, и она выдерживается при постоянном давлении рабочей жидкости, до момента получения заданного расхода. Абразивом выступает тонкий микропорошок электрокорунда белого М3-М5.
Доводка потоком жидкости, содержащей абразив, позволяет исправлять локальные погрешности микропрофиля, потому что абразивные зерна активнее снимают материал в местах уменьшения сечения, что дает исправление и выравнивание микропрофиля. Электрохимическое воздействие ускоряет процесс снятия материала с микровыступов, это сокращает время доводки деталей наукоемкой техники.
При механическом воздействии абразивных гранул на выступы, снятие материала происходит за счет микрорезания, производительность процесса зависит от концентрации абразива, размеров гранул и профиля канала. В случае анодного растворения усилие контакта будет снижаться за счет жидкости и оксидной пленки возникающей между материалом и абразивным зерном, а также как следствие анодного растворения микровыступов на поверхности в местах контакта с абразивом, что уменьшает сопротивление трения [67].
Схема контакта абразивных частиц обрабатывающей среды с поверхностью канала показана на рисунке 3.1, анализ которого показывает, что для обеспечения удаления припуска при механическом контакте необходимо следующее: - сила напора потока рабочей среды Fnpc должна быть больше сопротивления трения Fc; - результирующая сила сопротивления Fca , ориентированная по потоку, зависит от угла наклона касательной а к волнистости микропрофиля по длине образующей канала и требует адаптивной стабилизации потока токо-проводящей жидкости с абразивом соответствующей объемной концентрации [68 ,70].
Это так, но сила нормального давления FNП зависит, помимо физико-механических условий контакта гранулы с поверхностью, еще и от энергии присоединяющихся при соударении абразивных гранул в потоке. Силы мик-87 рорезания абразивом подчиняются теоретико-вероятностному закону и с большой степенью достоверности могут измеряться большей частью экспериментально. Случай, возникающий в ограниченном объеме щелевого канала, специфичен тем, что имеется эффект присоединения массы соударения. Это также приводит и к частичному упрочнению материала в зоне контакта.
Для получения решений, отвечающих условиям задачи моделирования, использован подход, учитывающий физическую сущность процесса [91]. В сравнении с безразмерной электрохимической обработкой наружных поверхностей механизм комбинированной доводки сквозного мелкоразмерного щелевого канала с сечением прямоугольной формы отличается меньшей инерционностью обрабатывающей среды из-за малого объема зоны обработки. Однако ввиду дефектов исходной формы, возникающих по технологическим причинам, наблюдается явление закручивания потока с какой-то угловой скоростью по текущему радиусу волнистости по образующей поверхности канала относительно начала системы координат (рисунок 3.2).
При стационарных режимах комбинированной доводки движение потока обрабатывающей среды в канале должно быть установившимся. Помимо этого, существует критическое значение скорости контактирования, при которой увеличивается скорость отскакивания частиц абразива от обрабатываемой поверхности и возрастает эффект экранирования в канале. Отскочившие частицы препятствуют последующим соударениям и вызывают формирование застойных зон перед обрабатываемой поверхностью. Плотность этих образований возрастает с увеличением скорости движения рабочей среды. Частота проявления этого эффекта возрастает при отклонении от нормали результирующего вектора воздействия скомкованных абразивных зерен на обрабатываемую поверхность, что имеет место при обработки каналов в технологически труднодоступных зонах.
Экспериментальная проверка расчетных режимов обработки
В настоящее время существует множество устройств и стендов для испытания деталей с мелкоразмерными проточными каналами.
Создание серийного оборудования для реализации комбинированной электрохимикоабразивной обработки, которая будет производиться параллельно с контролем высоконапорных расходных характеристик, возможно по двум направлениям. Первое подразумевает создание принципиально нового оборудования, что не совсем экономически выгодно в многономенклатурном производстве, каким является ракетостроение. Второе предполагает модернизацию существующего оборудования по схеме приведенной на рисунке 4.1. Модернизированное оборудование может иметь блочную конструкцию для быстрой реновации и использования для других задач и в других стендах.
Сущность работы такой технологической системы заключается в следующем: - перед началом электрохимической обработки с добавлением абразивного наполнителя производят замер расхода жидкости через проточные каналы; - для проведения комбинированной обработки заполняют магистраль токопроводящей жидкостью с добавлением абразива и включают установку для комбинированной обработки. По истечении расчетного времени установку выключают и проводят промывку системы; - после проведения обработки необходим контрольный замер расхода. При отклонении значений полученного расхода от заданных значений проводят повторную комбинированную обработку на скорректированных режимах.
Замер расхода проходящего через отверстие электролита при электрохимической обработке позволяет контролировать массовый расход жидкости, и при достижении нужного показателя прекращать прокачку электролита. Это обеспечит получение одновременно всех каналов с равномерным, заранее установленным расходом всех сечений. Сочетание в одном процессе двух видов воздействий: механико-абразивной и электро-химической с одновременным замером расхода абразивонасыщенного электролита позволяет одновременно сохранять требуемую геометрическую форму сечения канала и заданный расход. За счет изменения концентрации абразива и напряжения тока можно управлять процессом формирования микрогеометрии поверхности с заданными характеристиками.
Расширение области использования разработанной технологии в машиностроении
В нефтегазовой отрасли и энергетике существует большое количество оборудования и агрегатов, которые имеют сопловые и охлаждающие элементы с щелевыми каналами, где разработанный метод может быть применен.
Другой перспективной областью применения разработанной технологии является обработка каналов, полученных на 3D принтерах. Доводка электрохимическими методами щелевых каналов переменного сечения в заготовках, получаемых из порошков методами быстрого прототипирования, не дает требуемого эффекта вследствие избирательного характера анодного растворения материала в местах повышенной концентрации рыхлот, микротрещин и пор. В настоящее время проводятся исследования по использованию рабочих сред с абразивной составляющей для ЭХО мелкоразмерных каналов, полученных по AF-технологиям, что позволяет выравнивать параметры формообразования в процессе доводки внутренней поверхности [38].
Использование показанных выше решений позволяет повысить стабильность и расширить возможности технологических процессов изготовления деталей с щелевыми каналами,
1. Разработан технологический процесс комбинированной обработки, реализующий разработанный способ, предложены режимы, обеспечивающие получение стабильных заданных технологических характеристик деталей с мелкоразмерными щелевыми каналами.
2. Приведены рекомендации для разработчиков установок для комбинированной чистовой обработки мелкоразмерных каналов в деталях современных наукоемких изделий, обеспечивающие получение заданных эксплуатационных показателей и надежность конструкции при экстремальных рабочих условиях.
3. Сформулированы требования и обоснована возможность расширения области использования режимов и технологического процесса для обработки деталей с мелкоразмерными щелевыми каналами.
4. Испытания обработанных деталей по предложенному способу показали реальное увеличение точности обработки щелевых каналов. Значительно сократилось количество обработанных деталей, не попадающих в заданный диапазон по расходу.
5. Экономический эффект от использования комбинированного процесса электрохимической обработки с добавлением абразива составил 513000 рублей.
