- •Редакционная коллегия:
- •Литература
- •Литература
- •Г.А. Сухочев, е.Г. Смольянникова, и.С. Григоревский
- •Изменение шероховатости по глубине профильного канала
- •Литература
- •Расчетная схема для определения зажимного усилия
- •Литература
- •Литература
- •Литература
- •Механические свойства стали 20х13 гост 5949-75
- •Выбор оптимальной схемы отделочно-упрочняющей обработки межлопаточных каналов
- •Литература
- •Литература
- •Литература
- •Содержание
Литература
Сухочева Е.Г. Технология комбинированной обработки каналов малого сечения с обеспечением эксплуатационных показателей / Е.Г. Сухочева, С.Н. Коденцев // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2007. – № 11(35). – С. 25–28.
Сухочев Г.А. Новое оборудование для упрочнения каналов переменного профиля / Г. А. Сухочев // Металлообработка. – 2005. – № 2(26). – С. 40–43.
Сухочев Г. А. Основы технологии комбинированной обработки непрофилированным инструментом винтовых поверхностей / Г. А. Сухочев, Е.Г. Смольянникова, В.Н. Гореликов // Металлообработка. – 2008. – № 1. (42) – С. 12–16.
Пат. RU 2333822 С1 Российская Федерация, МПК6 В 23Н 5/00. Способ комбинированной магнитоимпульсной обработки деталей лопаточных машин и устройство для его осуществления / В. П. Смоленцев, В. Н. Гореликов, А.М. Гренькова, Е. Г. Сухочева, А. И. Болдырев // Открытия. Изобретения. – 2008. – № 26. – 2 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.9(075.8)
А.В. Перова, А. А. Духанин
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
Рассматриваются основные возможности и преимущества оптимизации технологического процесса с использованием математического моделирования.
Основная цель применения методов оптимизации при использовании методов механической обработки - это установление численных значений элементов режимов обработки, которые позволили бы наиболее производительно, с наименьшими затратами осуществлять обработку детали. На производстве в подавляющем большинстве случаев решается две из трех традиционных задач, возникающих в реальных производственных условиях:
) Определить режимы, которые обеспечивают себестоимость обработки, при этом на производительность процесса не наложены ограничения;
) Найти режимы, которые обесп6ечивают максимальную производительность, а себестоимость производства детали выбрана без ограничений;
) Найти режимы обработки, при которых себестоимость процесса минимальна, а производительность задана заранее.
Первую задачу можно решить, если в качестве критерия оптимизации выбрана переменная составляющая себестоимость обработки детали на операции:
, (1)
где tо - машинное (основное) время на операцию, мин;
Cр - минутная заработная плата рабочего, руб.;
Cст - затраты на эксплуатацию станка в течение 1 мин, руб.;
Cр + Cст = E = 4,4 руб - стоимость станкоминуты /по данным ООО «Миком»;
tсм - время на смену затупившегося инструмента и его наладку за период стойкости, мин (10 мин /по данным ООО «Миком»/);
Q - количество обработанных деталей за период стойкости, шт;
Cи - стоимость эксплуатации инструмента за период стойкости, руб. (50 р. /по данным ООО «Миком»/).
При осаждении покрытия методом ГКО использованы следующие технические обозначения: n - частота вращения шпинделя, об/мин; S – продольное перемещение инструмента вдоль оси детали за один оборот шпинделя установки, мм/об; t – глубина резания; h – толщина срезаемого слоя, мм; L - длина участка, подлежащего обработке.
Основное время обработки tо, мин можно выразить через период стойкости. Для токарной обработки:
, (2)
где частота вращения шпинделя станка n, об/мин может быть определена как
(3)
где V - скорость перемещения инструмента относительно поверхности детали, м/мин;
D - диаметр обрабатываемой детали, мм.
Скорость резания V м/мин является функцией стойкости инструмента. Для метода токарной обработки ее можно записать в виде:
, (4)
где Cv, m, x, y - коэффициент и показатели степени, зависящие от типа наносимого покрытия и вида применяемого инструмента.
K - коэффициент, зависящий от многих факторов
t, глубина резания, мм;
S - продольное перемещение инструмента вдоль оси детали за один оборот шпинделя установки, мм/об;
T - стойкость инструмента, мин.
Таким образом, выражение (2) можно представить в виде:
, (5)
где А - коэффициент, равный
Количество обработанных деталей Q, шт. за период стойкости так же можно выразить через стойкость инструмента Т:
(6)
Используя выражение (5) и (6) выражение (1) можно представить в виде:
Для определения стойкости инструмента, при которой наблюдается наименьшая себестоимость обработки необходимо решить уравнение:
(7)
Для определения стойкости инструмента, обеспечивающего минимальную себестоимость обработки необходимо определить исходные параметры для расчета:
Tсм = 10 мин /по данным ООО «Миком»/;
Cи = 50 р. /по данным ООО «Миком»/;
L = 105 мм, по чертежу детали;
h = 0,4 мм по техническим условиям обработки;
s = 5 мм/об по техническим условиям обработки;
t = 0,002 мм;
m = 0,6;
E = 6,5 /по данным ООО «Миком»/;
Подставляя цифровые данные в формулу, определяем коэффициент А
Себестоимость обработки в зависимости от стойкости инструмента с учетом технологических параметров обработки связана выражением
(8)
Графически этот материал можно представить в виде двумерного графика, как показано на рисунке.
Для определения стойкости инструмента, при которой наблюдается наименьшая себестоимость обработки необходимо решить уравнение (7), которое, учитывая технологические параметры обработки, принимает вид
(9)
Решая уравнение (10) относительно нуля находим значение стойкости инструмента при котором себестоимость носит экстремальный характер. В нашем случае Тэкстр. = 76,795 ми
Характер экстремальности функции, описываемой выражением (9) может быть определен при решении нижеприведенного уравнения относительно нуля
(10)
Зависимость себестоимости обработки от стойкости инструмента
Подставив ранее определенное значение Тэкстр. в выражение (10) определяем, что в точке Т = 76,795 функция, описываемая выражением (8) имеет минимум. Таким образом, значение стойкости инструмента соответствующее 76,795 мин. Определяет минимальную себестоимость обработки детали.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.9.041
Е.В. Смоленцев, В.Л. Мозгалин
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ КОМБИНИРОВАННОЙ ДОВОДКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
В статье рассмотрены возможности проектирования режимов комбинированной доводки деталей машин, приведены рекомендации по выбору и расчету технологических параметров для достижения высоких показателей процесса.
Исследования по обеспечению заданного технологических и эксплуатационных параметров при комбинированной обработке ведутся в Воронежском государственном техническом университете при поддержке гранта Президента РФ для молодых ученых- кандидатов наук МК-283.2010.8.
При расчете режимов процесса доводки необходимо учитывать следующее:
выбранные режимы должны обеспечивать заданные технологические показатели;
режимы могут быть реализованы на имеющемся оборудовании.
По последнему требованию трудно дать конкретные рекомендации, так как номенклатура оборудования, с помощью которого можно производить комбинированную обработку, достаточно широка, и в каждом конкретном случае будут свои ограничения.
При проектировании процесса комбинированной доводки зубчатых колес следует учитывать технологические показатели: производительность, точность, качество обработанной поверхности.
Наиболее значимым показателем является точность. Если в процессе доводки произойдет превышение съема относительно zmin по толщине зуба, то придется заменять колесо (или оба колеса). При одновременной обработке обоих колес съем металла происходит с них поочередно, при этом по мере удаления припуска процесс анодного растворения интенсифицируется. В тех случаях, когда операция выполняется на постоянной полярности, а инструментом является новое или эталонное колесо, за счет анодного растворения происходит уточнение эвольвентного профиля зубьев. Погрешность профиля снижается при многократной обработке одним и тем же эталонным колесом. Эксперименты показали, что наибольшая скорость съема наблюдается при напряжениях свыше 5 В. Однако при этом могут возникать импульсы тока, снижающие качество поверхностного слоя. При переменном токе и пониженных напряжениях можно получить управляемый съем металла с погрешностью не более 1%, что обеспечивает получение требуемой точности восстановленных зубчатых колес.
Шероховатость поверхности влияет на один из показателей точности колеса – степень контакта зубьев.
Вследствие электроэрозионных разрядов после восстановления профиля зуба на поверхности могут образовываться лунки, что приводит к повышению шероховатости. Для материала БРОФ наблюдались неровности (Ra) до 15 мкм. Для устранения мощных разрядов целесообразно выбирать режимы так, чтобы энергия импульса находилась в пределах 0,025-0,05 Дж, тогда шероховатость будет относительно низкой при производительности, достаточной для черновой обработки.
Поверхности с высокой чистотой можно получить при низких напряжениях за счет повышения плотности тока до 20 А/см2. При этом высота неровностей может быть снижена до Ra=0,3 мкм, что сопоставимо с аналогичным показателем при зубошлифовании.
Известно [1], что электрохимическая обработка не приводит к изменению свойств поверхностного слоя, в то время как после электроэрозии даже при чистовых режимах глубина измененного слоя более 4 мкм. Следует учитывать, что, если указанный показатель превысит 100 мкм, то вероятность возникновения микротрещин на обработанной поверхности резко увеличится. Толщина измененного слоя возрастает с увеличением энергии импульсов. При высоких напряжениях (свыше 12 В) начинается интенсивное искрение и, как следствие, возникают прижоги, что недопустимо для восстановленных зубчатых колес.
Производительность процесса определяет себестоимость обработки. Экспериментально установлено, что производительность доводки зубчатых колес комбинированным методом достаточно высока и процесс вполне конкурентоспособен. Так трудоемкость доводки сопрягаемых колес диаметром 160 и 40 мм (модуль 2) занимает в рабочем положении около 1 минуты, что на 2-3 порядка меньше, чем при традиционном ремонте с заменой колес.
В табл. показана степень влияния режимов комбинированной обработки и свойств рабочей среды скорость восстановления профиля эвольвентных зубьев в прямозубых передачах.
Режимы обработки и параметры среды |
Диапазон изменения параметра |
Воздействие на скорость съема материала |
Давление, н/мм2 |
1-10 |
Определяющее |
Напряжение, В |
2,75-5 |
Значимое |
Время обработки, мин |
0-60 |
Определяющее для отдельных технологических приложений |
Вязкость среды, ст. |
0,02-0,3 |
Значимое при настройке режимов |
Управление процессом восстановления профиля зубьев через напряжение затруднено, т.к. диапазон изменения этого параметра достаточно мал. Однако и в рекомендуемом диапазоне можно выбрать оптимальное значение напряжения для большинства марок сталей, применяемых для изготовления зубчатых передач.
Управление процессом через вязкость среды невозможно, т.к. отсутствуют технические средства для изменения параметра при выполнении операции доводки.
Управление процессом через время доводки возможно, хотя и затруднено, так как не удается достичь стабильности показателя из-за значительных колебаний параметров режима (напряжения тока, свойств рабочей среды и др.). Можно предложить этот способ для обработки некоторых видов зубчатых колес, где требования по точности невысоки (например, тихоходных передач сельскохозяйственных машин).
Наиболее перспективным представляется управление процессом комбинированного восстановления профиля через силу прижима контактных поверхностей. Проще всего этого добиться подтормаживанием (или ускорением) одного из обрабатываемых колес.
Технология восстановления зубчатых передач включает ряд последовательных этапов.
Перед восстановлением профиля зубчатых передач выполняют дефектацию деталей, где устанавливают величину и место износа рабочего профиля, оценивают возможность восстановления работоспособности передачи путем съема материала в пределах допуска на толщину зуба. Здесь может быть несколько вариантов:
если одно из колес непригодно для восстановления, то его заменяют новым и включают в электрическую цепь в качестве катода-инструмента;
при износе профиля зубьев обоих колес и минимальном проипуске, достаточном для восстановления эвольвенты, за счет толщины зуба доводку выполняют с периодическим переключением полярности. При этом длительность анодного растворения материала с каждого колеса пропорциональна величине начальной погрешности (z);
при необходимости обеспечить особые условия работы передачи, например, обеспечения требуемых показателей плавности, бесшумности, минимального сопротивления вращению, безударности требуется скругление кромок. В некоторых случаях при восстановлении работоспособности зубчатых передач достаточно получить профиль, близкий к эвольвенте, отвечающий эксплуатационным требованиям к передаче с учетом ее применения в изделии. Здесь ограничителем является предельное или заданное значение получаемого параметра, например, степени контакта зубьев, и процесс доводки прекращается после достижения такого показателя независимо от других характеристик передачи. В этом случае можно снизить требования к минимальному припуску на обработку при восстановлении и уменьшить количество замен колес из-за дефицита величины zmin. Электрохимическая размерная обработка в процессе восстановления профиля зуба может обеспечить скругление кромок, снижение высоты неровностей, что позволяет повысить надежность передачи особенно при больших крутящих моментах и ударных нагрузках;
в случае большого износа профиля зубчатого сопряжения, не позволяющего восстановить ранее имеющуюся степень точности, при возможности восстановления профиля с более низкой степенью точности разначают режимы электрохимической обработки, где в качестве начального условия принимают получение при предельном припуске погрешности профиля в пределах допустимого для заданной степени точности, а границей изменения припуска на восстановление профиля принимается минимальная толщина зуба. В этом случае, как правило, доводка профиля при восстановлении передачи выполняется на стенде без подшипников с использованием черновых режимов обработки, а восстановленная передача используется в узлах с более низкой степенью точности.
Доводка зубчатых передач с целью восстановления их работоспособности может проводиться без использования специального оборудования непосредственно в корпусе передачи, в некоторых случаях даже при отсутствии скользящих токоподводов, которые могут быть заменены отрезками гибкого провода, позволяющими выполнять возвратно-вращательные движения. В качестве рабочей среды используют слабо проводящие среды, например, растворы нейтральных солей или токопроводящие станочные смазывающее- охлаждающие жидкости. Источником тока служит выпрямитель или аккумуляторы. Это открывает возможности ремонта редукторов в полевых условиях, особенно для тяжелой техники, транспортировка которой в мастерские и снятие крупных узлов без подъемных механизмов представляет большие трудности и вызывает необходимость в дополнительных затратах, увеличивает непроизводительные простои и сроки ремонта.
Несмотря на очевидную простоту предлагаемого способа восстановления, здесь требуется точно соблюдать технологическую дисциплину, в частности контролировать режимы протекания процесса, т.к. припуск на обработку достаточно мал и не может превышать допуска на толщину зуба, а колебания величины технологического напряжения может привести к разрушению подшипников за счет прохождения повышенного тока, прижогам за счет локальных коротких замыканий и к браку деталей.
Время обработки зависит от начального отклонения профиля изношенного зуба от теоретического, расчетной скорости анодного растворения материала, минимального припуска, ограниченного минимальной толщиной зуба.
Литература
Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2 т. / Под ред. В.П. Смоленцева. - М: Высшая школа, 1983.
2. Смоленцев Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки / Е.В. Смоленцев // - М.: Машиностроение, 2005 - 511 с.
Воронежский государственный технический университет
Воронежский механический завод
УДК 621.9.047
Г.А. Сухочев, Е.Г. Смольянникова, С.В. Квасов
Влияние комбинированной обработки на работоспособность высокопрочных материалов В экстремальных условиях эксплуатации
Работа посвящена вопросам повышения эксплуатационных характеристик лопаточных деталей изделий в экстремальных условиях эксплуатации при формообразовании межлопаточных каналов комбинированными методами поверхностной обработки. Рассмотрены направления исследований по изучению влияния режима комбинированной обработки на долговечность высокопрочных сплавов при нестационарных воздействиях.
Современная транспортная машина зачастую работает в условиях нестационарного воздействия знакопеременных нагрузок, повышенных и криогенных температур, газообразного и жидкого водорода. Это мощные дизели, агрегаты турбонаддува сталеплавильного оборудования, авиационые турбокомпрессоры, турбонасосы для ракетных двигателей и транспортирования нефтегазовых продуктов, насосные агрегаты технологических линий различных отраслей промышленности, в том числе металлургических, химических и криогенных производств.
Они эксплуатируются при критических знакопеременных нагрузках, многоцикловых нагружениях при кавитации и пульсации критичных рабочих давлений, в агрессивных водородосодержащих средах с воздействием межкристаллитной коррозии, в широком диапазоне рабочих температур.
При этом, в среде жидких газов, например – в водороде, давление газожидкостной среды на поверхность детали может достигать 55 МПа. Стенки таких деталей достаточно тонкие, и с другой стороны стенки может происходить горение кислородно-водородной смеси, где градиент температур по толщине может достигать 25003000 К.
Установлено, что при больших перепадах температур в присутствии жидкого водорода и газообразной среды на границах с деталью поверхность не должна иметь местных микроуглублений, в которые под давлением попадает водород: происходит интенсивное наводораживание и охрупчивание материала.
Примером нагруженной детали транспортной машины является рабочее колесо турбонасосного агрегата с наружным бандажом. Усталостный характер трещин в лопатках связан с их многоцикловым нагружением, обусловленным высокочастотным воздействием переменных нагрузок из-за пульсаций давления рабочего тела. В среде жидкого водорода при наличии микротрещин это приводит к резкому усилению расклинивающего эффекта и деструкции материала. В зонах концентрации напряжений влияние водорода существенно уменьшает величину разрушающего напряжения.
При обработке лопатки различными методами в ее поверхностном слое образуется множество разветвленных мелких трещин [1] с выходом на поверхность, содержащих по глубине два участка:
верхний (больший по величине), на котором поля свободной поверхностной энергии одной стороны трещины и другой не перекрываются, а силы молекулярного притяжения между ними не проявляются;
нижний, на котором молекулярные поля одной и другой стороны перекрываются, и в результате этого между противолежащими стенками трещины на этих ее участках проявляют сжимающие действия силы молекулярного притяжения, постепенно возрастающие ближе к устью концентратора.
В случае проникновения в полость поры молекул рабочее среды они располагаются на участках поверхности трещины и преимущественно замыкают на себя ранее некомпенсированные электрические поля материала, тем самым, компенсируя или существенно снижая действующую сжимающую силу.
Напряжения, создаваемые в устье поры от внешних эксплуатационных нагружений, могут разрушить связи между элементами кристаллической решетки, и трещина разовьется в глубь тела, вследствие чего произойдет дальнейшее нарушение его поверхностного слоя, усиленное действием расклинивающего эффекта от адсорбционных слоев среды.
Избыток свободной энергии Е тонких устойчивых пленок, резко возрастающий с уменьшением толщины пленки п результат расклинивающего давления Р= dE/dп, всегда противодействующего уменьшению толщины пленки и уравновешиваемого внешними силами [2].
Расклинивающее давление сольватных пленок жидкости и особенно наличие адсорбционных слоев значительно тормозят смыкание микрощелей, обусловленное наличием тупиков, и даже полностью предотвращать его, когда молекулярные силы сцепления, действующие в наиболее узких частях микрощелей, оказываются недостаточными для вытеснения предельно тонких мономолекулярных и адсорбционных слоев.
При наличии высокого давления внешней рабочей среды Ррс расклинивающее давление
Р = (dE/dп + Ррс). (1)
Расклинивающее давление в среде водорода
РркН = Р = d{А[(lnBP0)2 (lnBRTCН)2]/dп}+ Ррс, (2)
где А и В константы [3]; PН давление адсорбированного водорода; P0 давление водорода при степени покрытия поверхности Q=0.
Так как P0<< PН, при lnB = kН2
РркН = kН2d(RTCН)2/dп+ Ррс. (3)
Условие уравновешивания напряженности поверхностного слоя детали в экстремальных условиях с учетом напряжений сжатия сж напряжений расклинивания ркН
сж > (э max + ркН) т. (4)
где э max максимальное растягивающее напряжение, возникающее под действием эксплуатационных нагрузок и градиента температур.
Анализ выражений (1)-(4) показывает степень взаимного влияния состояния обрабатываемых материалов, газовой и жидкой фазы криогенных сред, градиентов температур, а также зависимость эксплуатационных показателей от основных факторов: механических свойств поверхностного слоя материала лопаточной детали и характеристик микроуглублений в зоне концентратора напряжений.
В этом случае повышение долговечности и безотказности нагруженных лопаточных деталей и транспортных машин в целом решается технологическими методами комбинированной обработки [4, 5]. С целью установления степени влияния комбинированной обработки на выносливость рабочих поверхностей деталей выполнялись исследования, учитывающие влияние различных технологических методов обработки, имитирующих реальные условия эксплуатации, состояние поверхности и концентраторов напряжений на долговечность конструкционных материалов [6].
Долговечность сплава на основе Ni после традиционного
шлифования (1) и комбинированной обработки (2).
Представленная на рисунке зависимость циклической долговечности материала от условий обработки показала рост выносливость никелевого сплава во всем исследованном диапазоне напряжений. Эти обнадеживающие результаты позволяют сделать вывод о эффективности применения комбинированной упрочня-ющей обработки для устранения микродефектов.
Это достигается такой степенью деформирования микроповерхности и созданием такого уровня остаточных сжимающих напряжений второго рода, при котором происходит смыкание верхнего участка микроуглубления до перекрытия молекулярных полей одной и другой сторон (стенок) микротрещины. При этом должен компенсироваться избыток свободной энергии Е, появляющейся в результате адсорбции водорода из газообразующей среды и направленной на разрыв межатомных связей.
В тоже время при достижении критической величины раскрытия трещины тр кр на процесс разрушения поверхности практически не влияет высокое давление внешней рабочей среды Ррс. Исследования по установлению взаимосвязи режимов отделочно-упрочняющей обработки, параметров микроуглублений и поверхностной энергии э (как показателя качества поверхностного слоя) позволят разработать рекомендации по назначению режимов комбинированного воздействия на поверхности сложного профиля для использования в технологических расчетах.