Интенсификация процессов абразивно-экструзионной обработки деталей летательных аппаратов

На современном уровне технологии производства летательных аппаратов (ДА) наблюдаются следующие тенденции: расширение номенклатуры деталей со сложнопрофильными, криволинейными поверхностями, в том числе из труднообрабатываемых материаловповышение требований к точности и качеству изготовляемых изделиймаксимальное приближение формы и размеров заготовки к конфигурации готовой детали, увеличение доли финишных операций в общем объеме технологических процессов механической обработки.

На первое место при этом выдвигаются пути решения, связанные с применением нетрадиционных методов финишной технологии, значительно расширяющих технологические возможности отделочных операций тех деталей, которые недоступны для обработки традиционными способами.

Одним из методов, обеспечивающих надежность узлов и деталей ДА работающих в экстремальных условиях является уменьшение шероховатости или изменение состояния поверхностного дефектного слоя в сложно-пространственных каналах деталей абразивно-экструзионной обработкой (АЭО). Принцип АЭО заключается в перепрессовывании под давлением наполненных рабочими элементами полимерных РС вдоль обрабатываемых поверхностей.

Анализ работ, касающихся внедрения процесса АЭО в производство показал, что при обработке каналов большой длины или с переменной формой поперечного сечения качество обработанной поверхности неоднородно из-за значительного изменения характера течения РС. Для АЭО труднообрабатываемых поверхностей характерна низкая производительность. Несовершенство разработанных режимов АЭО и составов РС сдерживает широкое применение данного процесса в технологии производства деталей ДА.

Одним из путей интенсификации процессов АЭО является регулирование состава и характера течения РС. В связи с этим главной проблемой является создание высокопроизводительного процесса АЭО, который позволил бы отказаться от применяемых в настоящее время менее эффективных способов финишной обработки (ФО).

Целью данной работы является обеспечение требуемой шероховатости сложных каналов деталей ЛА.

Качество и производительность обработки зависит от условий взаимодействия рабочих элементов с обрабатываемой поверхностью. Без их исследования невозможна разработка физической модели, реализация которой обеспечит регулирование параметров процесса и получение требуемой шероховатости поверхности сложнопространственных каналов.

Применяемые для описания физической модели процесса АЭО теоретические представления не учитывают в должной степени специфику метода, как взаимосвязь процессов течения аномально-вязкой наполненной среды и механической обработки (абразивного изнашивания и микрорезания), при которой условия обработки зависят от параметров течения.

Основными задачами диссертационной работы являлись: рассмотрение особенностей финишной обработки сложных каналов деталей ЛАанализ технологических возможностей метода АЭО в технологии производства ЛА и выбор путей интенсификацииразработка теоретических предпосылок микрорезания субмикровыступами единичного абразивного зерна, характера течения РС в каналах и определения оптимального состава РСвизуальные исследования процесса течения РС в каналах различной конфигурацииполучение зависимостей реологических и режущих свойств РС от их состава и условий обработкиинтенсификация процессов АЭО деталей со сложными каналами при обеспечении заданных геометрических параметров и качества поверхностного слоя.

Экспериментальные исследования характеристик РС проводились с использованием метода капиллярного вискозиметра.

Характер течения среды через каналы с различными сечениями исследован с использованием киносъемки. Для определения оптимальных составов РС и параметров процесса использованы теоретические предпосылки, основанные на модели аномально-вязких тел. При планировании экспериментальных работ использован план Коно и метод симплексов. Научная новизна работы состоит в следующем: разработана гипотеза об интенсификации процесса резания активными абразивными зернами при течении сред, наполненных абразивом различного зернового составаполучены математические модели, связывающие параметры качества поверхностного слоя с комплексом технологических факторов и позволяющие назначать режимы АЭО для отделки сложнопрофильных и труднодоступных каналов деталей ЛАвыявлено влияние конструкторских элементов обрабатываемых деталей на характер течения абразивных РС и установлено, что в некоторых случаях при движении абразивного «жгута» возникают застойные зоны, где нарушаются условия резания активными абразивными зернамиразработаны новые способы обеспечения равномерности процесса резания активным абразивным зерном вдоль обрабатываемого канала за счет выравнивания скоростей абразивного потока по его сечениям и создания противодавления РС на выходевпервые определены величины коэффициентов начальной динамической вязкости цо в широком диапазоне давлений и составов РС, используемых для расчета расхода и скорости абразивного потока. Практическая ценность работы состоит в следующем: разработана методика и устройство, с помощью которых определены численные значения коэффициентов вязкости РС при АЭОопределены безразмерные коэффициенты £, кв, позволившие охарактеризовать величину потерь давления в каналах различных формпредложен способ обработки комплексными РС, интенсифицирующий процесс АЭО труднообрабатываемых поверхностейспроектированы и изготовлены устройства для выравнивания условий обработки в каналах с переменным сечением, позволившие интенсифицировать процесс АЭО таких каналовмодернизация системы противодавления течению РС в обрабатываемом канале обеспечило выравнивание условий обработки по его длинеразработаны и использованы новые составы РС, включающие в себя абразивные зерна (АЗ) различных размеров, содержание которых рассчитывается по предложенным зависимостям.

Материалы диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции «Проблемы механической обработки машиностроительных материалов» — Красноярск, 1989., на конференции «Проблемы интеграции образования и науки», Москва, 1990., на научно-технической конференции «Повышение качества изготовления деталей машин методами отделочно-упрочняющей обработки», Пенза, 1991., на научно-технической конференции «Материалы, технологии, конструкции», Красноярск, 1995., на семинарах кафедры ТМС и научно-техническом совете (НТС) CAA.

По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе получено одно положительное решение заявки на патент РФ № 95 110 339 от 19.06.95., выполнен 1 отчет по НИР.

Глава X. Особенности финишной обработки сложных каналов деталей летательных аппаратов.

Создание летательных аппаратов нового поколения сдерживается недостаточным уровнем развития технологий их изготовления, в том числе процессов окончательной (финишной) обработки (отделки) поверхностей деталей летательных аппаратов (ЛА).

Выводы к главе 4.

1. Установлено, что неоднородность обработки в канале с переменной формой и площадью сечения обусловлена изменением скорости течения РС и давления среды. Обеспечить равномерность обработки таких каналов возможно только за счет выравнивания скорости потока по всей их длине. Для этого предложено устройство (внутреннее тело), реализующее переход от течения РС в канале с переменной формой сечения к течению РС в щели с постоянной формой и площадью поперечного сечения. Величина скорости при этом уменьшается, но увеличивается прижатие абразивных зерен к обрабатываемой поверхности за счет увеличения давления среды.

2. Впервые на базе проведенных исследований получены математическая модель зависимости шероховатости окончательно обработанной поверхности и геометрических параметров канала от ссотава РС и площади ЩеЛИ ¡-Эзаз между обрабатываемой поверхностью и внутренним телом.

3. Теоретически обосновано влияние величины радиуса «ядра» потока на интенсивность процесса резания единичным абразивным зерном. При уменьшении Бзаз величина радиуса «ядра» потока, а следовательно и удельное давление РС на обрабатываемую поверхность, возрастает, но скорость течения потока при этом становится меньше. Для РС, обладающих повышенной жесткосткостью (зернистость Ва'500 и более, Ка'75) при уменьшении площади зазора до 17.5 мм2 и менее, снижение скорости потока значительно влияет на условия резания.

4. Получена математическая модель, позволившая выбрать геометрические параметры щели и составы РС, обеспечивающие оптимальные условия обработки.

5. Исследования показали, что при использовании выравнивающего устройства требуемая шероховатость по всей длине исследуемого конусного канала Яа < 0.32 мкм получена при АЭО средой Вазго' при 8заз= 17.5 мм2. Несмотря на то, что расход РС в кольцевом канале уменьшается по сравнению с цилиндрическим в 1.2.6.4 раза, производительность АЭО возросла за счет увеличения количества активных абразивных зерен.

6. Полученная модель использована при АЭО сопла-насадка, канал которого состоит из цилиндрической и конусной частей. Исследования показали, что без выравнивающего приспособления требуемая шероховатость Яа=0,25 мкм была достигнута только в цилиндрической части. В конусной части шероховатость по длине изменялась от Яа = 0.35 мкм в сечении с минимальной площадью до Яа= 1.25 мкм в максимальном по площади поперечном сечении. При АЭО сопла-насадка с внутренним телом шероховатость Яа= 0.25 мкмдостигнута по всей поверхности канала за 30 циклов. Время обработки составило 580.620 с.

7. Подтверждена гипотеза о том, что неравномерность снятия поверхностного слоя по длине канала при АЭО вызвана градиентом давления. В зависимости от условий обработки и участка канала величина шероховатости обработанной поверхности может изменяться в два. три раза.

8. Модернизирована система противодавления за счет раздельного управления каждой полостью рабочих цилиндров и введения дополнительной сливной магистрали, что обеспечило возможность регулирования давления РС на выходе из обрабатываемого канала.

9. Получена математическая модель зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности от состава РС и величины противодавления, которая ипользована при проведении исследований выбора оптимальных параметров АЭО. При обработке РС Ва'25 каналов длиной Ь=450 мм и диаметром <1=10 мм неоднородность обработки уменьшилась с 12.33% (без противодавления) до 5. 12% (с противодавлением РВЫх = 4 МПа), т. е. в 3 раза. Обеспечена требуемая шероховатость Яа < 0,32 мкм по всей длине поверхности РК-профильных отверстий с соблюдением заданной точности линейных размеров.

10. Впервые установлено, что систему противодавления целесообразно использовать при АЭО каналов, имеющих отношение между длиной канала и площадью его поперечного сечения Ь/Бк >0.15. При обратном соотношении влияние градиента давлений на обработку не существенно.

11. Вперые установлено, что уменьшение градиента давлений РС в обрабатываемом канале при постоянном максимально возможным для детали давлении РС на входе в канал, позволило оптимизировать условия обработки и интенсифицировать процесс АЭО.

12. Экспериментально подтверждена необходимость при АЭО литых каналов использования комплексных РС, обусловленное их плотноу-пакованной структурой, повышенной жесткостью, вязкостью и индексом течения. При течении таких сред радиус «ядра» потока имеет большие размеры, по сравнению с «ядром» потока среды, наполненной абразивом одного размера зерна.

13. Проведенные эксперименты при обработке криволинейных лопаток вентилятора ГТД подтвердили, что производительность съема материала с поверхности каналов увеличилась почти в 2 раза. Интенсификация процесса АЭО обусловлена применением теоретической зависимости содержания абразива в РС и математеческой модели расчета режимов обработки от заданной шероховатости.

14. На основании анализа параметров конструкций каналов в деталях разработан классификатор и рекомендации по применению комплексных РС, направляющих аппаратов и внутренних тел, а также системы противодавления.

15. На базе проведенных исследований разработаны рекомендации по созданию технологических процессов АЭО деталей ЛА и оснастки, на основании которых разработаны технологические процессы АЭО на АО «КРАМЗ», деталей термопластавтомата (СибФНИИТМ), РК-профильных каналов (Мосстанкин), внутренних поверхностей волноводов (НПО ПМ), вентиляторов, крыльчаток, направляющих аппаратов (ПО «Мотор» г. Рыбинск, ГП «Красмашзавод»).

Заключение

.

1. Тема диссертационной работы актуальна, т.к. в настоящее время в производстве ЛА широко применяют детали со сборными рабочими лопатками, надежность которых меньше, чем у цельных. Для ФО цельных деталей, в основном, используют малопроизводительную виброгалтовку или ЭХО, для которой характерна высокая трудоемкость изготовления оснастки, а также появление микротрещин травления поверхностного слоя обработанной детали.

2. Физико-технологические особенности АЭО определяют рациональность ее применения в условиях повышенных требований к качеству поверхностного слоя и характеру шероховатости деталей летательных аппаратов (ЛА), которые влияют на прочность, надежность и работоспособность' отдельных деталей и изделий в целом. В то же время эти особенности характеризуют АЭО как сложный процесс абразивной обработки, реализуемый течением в обрабатываемом канале РС, наполненной абразивными зернами.

3. Создана широкая гамма конструкций устройств и приспособлений, а также составов РС для АЭО. В настоящее время при АЭО не используется наложение вибрации, магнитных и тепловых полей из-за высокой сложности конструкции устройств, трудоемкости их изготовления и низкой надежности в эксплуатации.

4. Анализ работ, касающихся внедрения процесса АЭО в производство показал, что при АЭО каналов большой длины или с переменной формой поперечного сечения качество обработанной поверхности неоднородно из-за значительного изменения характера течения РС. Для АЭО труднообрабатываемых поверхностей характерна низкая производительность. Несовершенство разработанных режимов АЭО и составов РС сдерживает широкое применение данного процесса в технологии производства деталей ЛА.

5. Существующие теоретические предпосылки процесса резания единичным абразивным зерном при АЭО не учитывают влияния течения аномально-вязкой наполненной среды. Экспериментально не подтверждено соответствие течения РС характеру течения бингамовских пластиков.

6. Общеизвестны теоретические представления и экспериментально подтвержден характер обтекания местных сопротивлений ньютоновскими жидкостями. Для аномальных жидкостей, в т. ч. наполненных РС для АЭО таких исследований не проводилось. В формулах, описывающих процесс течения РС учитывается начальный коэффициент динамической вязкости цо, но его численные значения не определены.

7. Подтверждена возможность обеспечения требуемой по величине и направлению шероховатости поверхности каналов деталей ЛА за счет интенсификации процесса АЭО путем изменения условий течения РС и взаимодействия абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью.

8. Характерными особенностями процесса АЭО являются малые величины скорости резания и удельного давления АЗзависимость режимов обработки от характера течения РСпоявление неоднородности обработки в каналах большой длины или с переменной формой поперечного сечения. Обработка при АЭО осуществляется субмикровыступами абразивных зерен, которые имеют тупые углы резания. Величина субмикровыступов меньше на 2.3 порядка, чем само АЗ.

9. При рассмотрении предложенной зависимости расчета величины шероховатости поверхности при АЭО можно сделать вывод, что основное влияние на формирование профиля шероховатости оказывает давление среды на абразивное зерно, его режущие свойства и количество активных абразивных зерен, находящихся в контакте с обрабатываемой поверхностью за весь период обработки.

10. Показано, что центральная зона потока, в котором отсутствует напряжение сдвига, образует «ядро» потока и ведет себя как твердое тело. Предложены зависимости, определяющие размеры и скорость «ядра». Выявлена зависимость степени закрепленности единичного АЗ от размеров «ядра» .

11. Впервые выявлены предпосылки интенсификации обработки за счет использования РС, в состав которых входят абразивные зерна различных размеров, по сравнению с обработкой РС, содержащей одинаковые по величине АЗ. Предложены уравнения для расчета процентного содержания зернистости составляющих величин абразивных зерен и количества активных АЗ в комплексной РС.

12. Исследовано течение РС в каналах различных сечений. Выявлены характерные особенности течения, места образования отрыва потока РС от стенок каналов с возникновением застойных зон и ухудшения в них условий резания активными зернами в 1,5.2 раза. Определены безразмерные коэффициенты местных сопротивлений £КВ, характеризующие величину потерь давления РС при АЭО. Для конусных каналов £кв = 20.0.23.5- для каналов с малым входным сечением 2, Кв = 8.4. 10.0- для каналов с лопатками Е, кв = 1.8.2.1.

13. Установлено, что при течении РС в каналах образование вихрей возле стенок не наблюдалось. При истечении РС из канала проявлялся эффект Вайссенберга, характеризующий упругое восстановление струи потока за счет уменьшения нормальных напряжений.

14. Разработана методика и впервые определены численные значения начального коэффициента динамической вязкости цо РС для сред различных составов: ¡-ю= 16 223.36892 Па с. Эти значения нашли практическое применение для описания модели процесса течения РС при АЭО.

15. Установлено, что с возрастанием давления на входе в канал Рвх и зернистости Ва' среды цо уменьшается. Это обусловлено тем, что при увеличении скорости сдвига интенсивнее разрушается пространственная структура РС, касательные и нормальные напряжения возрастают. Так при обработке РС с приведенной зернистостью Ва'400 величина коэффициента |ю составила 36 093 Па-с при РВх = 6 МПа, а при Гвх = 9 МПа коэффициент цо был равен 24 166 Па-с, т. е. уменьшился на 65.70%.

16. Экспериментально подтверждены теоретические зависимости скорости и размеров «ядра» потока РС в круглом канале от градиента давлений по его длине. С увеличением индекса течения п скорость гя уменьшается (при Рвх = 6 МПа — Юя = 0.546 м/с для п=0,7, шя = 0.408 м/с для п=1), а размер «ядра» становится больше (при Рвх = 9 МПа гя =, 0023 м для п=0,7, гя =0.0037 м для п=1). Индекс РС при АЭО изменяется в интервале 0,7 < п < 1, т. е. РС является истинно тиксотропной средой.

17. Разработаны математические модели и предложены три новых способа интенсификации АЭО деталей ЛА:

— для каналов с термообработанными поверхностями или с низким качеством поверхностного слоя (сразу после литья, электроэрозионной обработки) использование комплексных рабочих сред. В них в качестве рабочих элементов применяют АЗ различной величины, причем процентное содержание каждого размера выбирается из предложенной зависимости. Комплексные РС обладают повышенной плотностью и жесткостью, большим содержанием абразива и радиусом «ядра» потока. По способу АЭО комплексной РС получено положительное решение на патент РФ. Рассчитанные по предложенной зависимости составы РС внедрены в производство на АО КраМЗ. Акт о внедрении прилагается в Приложении.

— для каналов с переменной площадью и формой поперечного сечения использование выравнивающих устройств. При этом характер потока РС в обрабатываемом канале изменяется от течения в местном сопротивлении к течению в кольцевом канале.

— для каналов большой длины применение системы противодавления. Создание противодавления рабочей среде на выходе канале при неизменном давлении на входе уменьшает градиент давления РС в обрабатываемом канале и увеличивает «ядро» потока.

18. Для разработанных способов интенсификации АЭО были разработаны и внедрены новые технические решения: устройство для выравнивания условий обработки в деталях типа конфузор и дифузорсистема противодавления с раздельным управлением каждой полостью рабочих цилиндров. Данные решения прошли технологические испытания на ГП «Красмашзавод» и в СибНИИТМе, используются в лаборатории АЭО при САА.

19. Экспериментально доказано, что при использовании модернизированной системы противодавления получена более равномерная обработка всей поверхности РК-профильного канала длиной 450 мм, чем при АЭО без противодавления. Неравномерность съема металла уменьшилась с 12.33% при АЭО средой с Ва' = 25 мкм и без противодавления до 5. 12% с противодавлением Рвых = 4.0 МПа, т. е. в три раза. Рекомендовано использование системы противодавления при АЭО каналов, имеющих отношение между длиной канала и площадью его поперечного сечения Ь/Бк > 0.15.

20. Проведены эксперименты по обеспечению шероховатости обрабатываемой поверхности вентилятора ГТД (отливка из сплава ОТ4), в зависимости от количества циклов обработки N4 и типа РС (однородные и комплексные). Производительность обработки при использовании комплексной РС увеличилась, по сравнению, с однородной на 60.80%. Состав использованной комплексной РС определен по разработанной зависимости (2.27).

21. При экспериментальной обработке сопла-насадка установлено, что без выравнивающего устройства требуемая шероховатость была достигнута только в цилиндрической части, в конусной части шероховатость по длине канала изменялась от Ыа = 0.35 в сечении с минимальной площадью до Ла = 1.25 мкм в максимальном по площади поперечном сечении, а при АЭО сопла-насадка с выравнивающим устройством шероховатость Яа = 0.25 мкм достигнута по всей поверхности канала за 30 циклов.

Время обработки составило 580.620 е., что меньше по сравнению с применяемой ручной притиркой в 2,5 раза, с учетом раздельной доводки конусной и цилиндрической части сопла насадка.

22. В результате экспериментальных исследований уточнены теоретические зависимости расчета технологических параметров АЭО, учитывающих влияние комплекса факторов на процесс обработки.

23. Лабораторные и производственные испытания разработанных способов интенсификации процессов АЭО подтвердили эффективность теоретических и практических решений.

24. Созданы рекомендации по разработке технологических процессов АЭО деталей ЛА и оснастки, на основании которых разработаны технологические процессы АЭО на АО «КРАМЗ», деталей термопластавтома-та (СибНИИТМ), РК-профильных каналов (Мосстанкин), внутренних поверхностей волноводов (НПО ПМ), вентиляторов, крыльчаток, направляющих аппаратов (ПО «Мотор» г. Рыбинск, ГП «Красмашзавод»).