Разработка способа и технологии эрозионно-термической обработки материалов электродами с термоактивным покрытием

Актуальность темы

Электроэрозионная обработка нашла широкое распространение в машиностроении. В последнее время работами отечественных и зарубежных ученых показаны пути повышения интенсивности обработки. Одним из таких методов является получение каналов профильным и непрофилированным (проволочным) электродами с покрытием металлами, способными создавать в зоне разряда кумулятивный эффект с переходом импульсного воздействия на микродуговое, что способствует повышению производительности на порядок и более. Однако при этом значительно (до 8−10 раз) повышается высота неровностей, что ограничивает технологические возможности использования высокопроизводительной электроэрозионной обработки и требует последующих чистовых операций. Последнее весьма трудоемко и не обеспечивает сохранения точности предшествующей операции.

Предложен новый способ комбинированной обработки электродом-инструментом с термоактивным покрытием, обеспечивающим интенсивность обработки, достигнутую на лучшем оборудовании ведущих стран мира и шероховатость не выше получаемой ранее при обработке изделий на чистовом этапе их формирования, когда производительность процесса снижалась на порядок и более. Новый способ эрозионно-термической обработки до настоящего времени системно не исследовался и его технологические возможности в литературе не освещались. Для разработки технологического процесса эрозионно-термической обработки требуются новые электроды-инструменты со специальным металлическим покрытием нужной геометрии. Таких инструментов (кроме проволоки круглого сечения) в мире не выпускается, поэтому наряду с исследованием технологических показателей требуются методы создания новых видов профильных и непрофилированных электродов, реализующих достоинства разрабатываемого способа.

Для этого может понадобиться модернизация имеющегося оборудования и формирование технических условий для последующих поколений создаваемых перспективных электроэрозионных станков, работающих с профильным и непрофилированным инструментом, и использующих технологические режимы, реализующие преимущества нового метода обработки.

Рассматриваемая технология отвечает требованиям научно-технического прогресса в машиностроении. Она особенно эффективна при наукоемкой технически сложной продукции авиационно-космической отрасли, а результаты исследования являются актуальными для различных отраслей промышленности.

Работа выполнялась по госконтрактам Роскосмоса и в соответствии с научным направлением Воронежского государственного технического университета ГБ № 2004.15 «Исследование процессов и средств технологического оснащения прогрессивных технологий».

Работа прошла проверку и внедрена в опытном производстве ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (г. Воронеж) и для серийного производства на «ВМЗ» — филиале «ГНПЦ им. М.В. Хруничева» (г. Воронеж).

Целью работы является интенсификация процесса электроэрозионной обработки за счет создания кумулятивного эффекта от термоактивного покрытия электродов с одновременным повышением качества поверхностного слоя и точности обработки путем управления энергией импульса разряда в межэлектродном пространстве.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Изучение механизма протекания кумулятивного эффекта за счет горения покрытия на электроде и формирование условий, при которых термическое воздействие интенсифицирует эрозионный съем материала анода.

2. Обоснование выбора материалов для покрытий электродов-инструментов при эрозионно-термической обработке.

3. Разработка путей управления электроэрозионной и термической составляющей эрозионно-термического процесса при изготовлении изделий различного профиля.

4. Определение путей повышения точности и качества поверхностного слоя металлов за счет управления энергией импульса и местом его приложения после локального кумулятивного воздействия на обрабатываемую поверхность.

5. Разработка технологических режимов, конструкции инструмента и требований к модернизации оборудования для реализации электроэрозионно-термического метода обработки для изготовления деталей современной техники.

Достоверность результатов исследований доказывается построением теоретической части работы на базе классических закономерностей электроэрозионной обработки, теории тепловых процессов, управления комбинированными методами обработки с импульсными взаимосвязанными воздействиями на объекты теоретических положений проектирования комбинированных технологических процессов для нетрадиционных методов обработки с наложением электрического поля.

Научная новизна работы включает:

1. Установление закономерностей интенсификации съема материала за счет эрозионной и термической составляющей процесса путем использования энергии кумулятивной струи термоактивного покрытия с последующим перераспределением энергии импульса в область канала проводимости первичного разряда.

2. Разработка механизма выравнивания поверхностного слоя на окончательной стадии формообразования за счет эрозионных управляемых импульсов без термического кумулятивного воздействия и разработка путей повышения точности формообразования за счет снижения погрешности электрода-инструмента ввиду уменьшения его износа при использовании покрытия.

3. Основы управления процессом эрозионно-термической обработки за счет энергетического регулирования режимов процесса, выбора материалов инструмента и покрытия, повышения эффективности его использования в водных рабочих средах.

Практическая ценность работы включает:

1. Создание нового (подана заявка на патент) способа эрозионно-термической обработки с использованием профильного и проволочного электрода-инструмента с покрытием, обладающим возможностью создавать в зоне обработки кумулятивный эффект, что может на порядок и более повысить производительность при изготовлении деталей.

2. Разработку технологических режимов интенсивной обработки эро-зионно-термическим методом с достижением повышенной точности контура и получением качественного поверхностного слоя.

3. Создание новой конструкции электрода-инструмента с покрытием для интенсивного формирования поверхностей с повышенной точностью и качеством поверхностного слоя.

4. Разработку методики расчета скорости перемотки проволочного электрода с покрытием, обеспечивающей наибольшее полное использование дорогостоящего инструмента.

5. Методы проектирования технологических процессов обработки каналов и пазов инструментом с покрытием, обеспечивающие требуемое качество поверхностного слоя при высокой интенсивности процесса формообразования.

6. Разработка требований к оборудованию при использовании эрози-онно-термического метода обработки, что позволяет разработать пути модернизации существующих эрозионных станков и определить направления совершенствования вновь создаваемого конкурентоспособного оборудования с повышенными технологическими возможностями при производстве сложной наукоемкой техники.

Личный вклад соискателя включает:

1. Создание нового эрозионно-термического способа и инструмента для обработки электродом с термоактивным покрытием, обеспечивающим возможность формирования кумулятивного энергетического воздействия с образованием рабочего импульса в зоне высокой плотности энергии и с интенсификацией процесса путем последующих импульсов в зону выступов от локального кумулятивного высокоэнергетического воздействия на анод теплового потока.

2. Построение механизма взаимодействия термического и эрозионного импульсов с управляемым перераспределением энергии и моделирование процессов, происходящих при эрозионно-термической обработке.

3. Разработка новой конструкции электрода-инструмента с покрытием требуемого профиля, позволившего реализовать способ для изготовления деталей профильным и проволочным инструментом при изготовлении сложно-профильных каналов и пазов, в частности высококачественных поверхностей проточного тракта турбин, где последующие (после эрозионной) операции для повышения точности, чистоты поверхностного слоя затруднены или невозможны.

4. Основные требования и рекомендации по модернизации или созданию оборудования, учитывающего возможности технологического процесса с использованием эрозионно-термического метода обработки.

5. Разработка типовых технологических процессов, реализующих новый метод, конструкции инструмента с покрытием и модернизированного оборудования для типовых изделий наукоемкой техники.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и получили одобрение специалистов на международной научно-технической конференции «Разработка, производство и эксплуатация турбо-электронасосных агрегатов и систем на их основе» (Воронеж, 2003) — международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2006) — на научно-техническом семинаре «Применение низкочастотных колебаний в технологических целях».

Ростов н/Д, 2006) — на научно-практической конференции «Проектирование механизмов и машин» (Воронеж, 2008) — на 6-й международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (Брянск, 2008) — международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Ростов н/Д, 2008) — X международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе» (Орел, 2008) — региональной научно-технической конференции «Нетрадиционные методы обработки» (Воронеж, 2009) — на отраслевых и региональных мероприятиях Роскосмосана кафедре технологии машиностроения ВГТУ (Воронеж, 2008;2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 2 по списку ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: 1 — построение технологического процесса обработки- 2 — обеспечение качества поверхностного слоя- 3 — режимы обработки сложнопрофильных деталей- 4 -обоснование области использования нетрадиционных методов обработки- 5 -организация использования нетрадиционных методов- 6 — механизм нанесения покрытий- 7, 8, 9 — управление качеством поверхности- 10 — анализ возможностей нового способа- 11, 12 — разработка техпроцессов- 13 — выбор методов обработки лопаток- 14, 15 — оптимизация технологических параметров эрозионного процесса- 16 — устройство для осуществления способа.

Структура и объем работы Диссертационная работа включает: введение, 4 главы, заключение, приложения на 149 страницах машинописного текста с 49 рисунками, 12 таблицами, списком литературы из 105 источников.

Выводы. Применение эрозионно-термической обработки позволило решать технологические проблемы, возникающие в процессе запуска в производство новой ракетно-космической системы «Ангара» и в процессе выпуска серийных транспортных систем авиационного и другого назначения. Испытания турбин с каналами, полученными по предложенного способу эро-зионно-термической обработки, на эксплуатационных режимах проводились с использованием устройства, предложенного в [34]. Экономический эффект от использования эрозионно-термической обработки только на одном участке составил свыше 470 тысяч рублей в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения работы разработан новый эрозионно-термиче-ский способ интенсификации процесса обработки с обеспечением высокой точности и качества поверхностного слоя деталей, предложена новая конструкция и технология изготовления электрода-инструмента с оригинальной геометрией и термоактивным материалом покрытия, разработаны предложения по модернизации существующего и созданию перспективного оборудования для реализации нового метода, создана методика расчета технологических режимов и спроектированы типовые технологические процессы для интенсивной обработки точных деталей перспективных изделий машиностроения. Выводы:

1. Раскрыт механизм воздействия на зону обработки высокоэнергетической струи комулятивного импульса горения материала покрытия электрода-инструмента, что позволило установить направления интенсификации процесса обработки.

2. Разработаны технологические режимы интенсивной обработки сложно-профильных деталей эрозионно-термическим способом, что позволило увеличить производительность до 10 раз и повысить технологические показатели процесса при изготовлении сложных деталей до уровня, соответствующего чистовому этапу технологического процесса изготовления каналов и пазов изделий авиационно-космической техники, работающих при высоких нагрузках.

3. Предложены пути управления технологическим процессом обработки электродом-инструментом с покрытием за счет изменения энергетических показателей импульса, действующего одновременно с кумулятивным воздействием или самостоятельно, что осуществляется путем назначения и изменения технологических режимов и обоснованным нанесением покрытий на электрод-инструмент.

4. Разработана новая (на уровне изобретения) конструкция электрода-инструмента с расчетным сечением и профилем покрытия, обеспечивающим достижение интенсивного съема припуска," снижение высоты неровностей до.

0,64 мкм (для стали) и точность формы и размеров (для пазов) с погрешностью не более 4−5 мкм.

5. Спроектирован технологический процесс нанесения на электрод-инструмент покрытий с переменой толщиной и заданной ориентацией относительно вектора подачи на электронно-эрозионном оборудовании, что позволило совместить высокую производительность с обеспечением качества поверхностного слоя на уровне требований к высоконагруженным деталям проточного тракта двигателей транспортных машин.

6. Приведены рекомендации по модернизации имеющегося оборудования, в частности станков с непрофилированным электродом, в которых предложено дополнительно установить профильные направляющие для ориентирования проволочного электрода в направлении воздействия кумулятивной струи корректировки положения наибольшей величины покрытия в сторону направления вектора подачи при обработке.

7. Разработаны методы расчета параметров процесса, учитывающие положение инструмента относительно зоны обработки и управление кумулятивным эффектом на различных стадиях процесса формообразования поверхностного слоя при эрозионно-термической обработке.

8. Разработаны методы расчета параметров процесса, учитывающие положение инструмента относительно зоны обработки и управление кумулятивным эффектом на различных стадиях процесса формообразования поверхностного слоя при эрозионно-термической обработке.

9. Проведены производственные испытания эрозионно-термического метода и инструмента для его реализации на оборудовании с профильным и проволочным инструментом. Положительные результаты испытаний позволили внедрить процесс на предприятиях Воронежа со значительным экономическим эффектом.

10. Проведен анализ объектов обработки с использованием эрозионно-термического метода, показавший реальность значительного расширения технологических возможностей процесса при производстве конкурентоспособной продукции, в частности новых систем авиационной и космической техники.