Литература

3. 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.

4. Сухочев Г.А. Новое оборудование для упрочнения каналов пе­ременного профиля / Г. А. Сухочев // Металлообработка. – 2005. – № 2(26). – С. 40–43.

5. 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.

6. 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:

1. ) Определить режимы, которые обеспечивают себестоимость обработки, при этом на производительность процесса не наложены ограничения;

1. ) Найти режимы, которые обесп6ечивают максимальную производительность, а себестоимость производства детали выбрана без ограничений;

1. ) 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 t_о - машинное (основное) время на операцию, мин;

C_р - минутная заработная плата рабочего, руб.;

C_ст - затраты на эксплуатацию станка в течение 1 мин, руб.;

C_р + C_ст = E = 4,4 руб - стоимость станкоминуты /по данным ООО «Миком»;

t_см - 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;

C_и - 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 t_о, 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 C_v, 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:

T_см = 10 мин /по данным ООО «Миком»/;

C_и = 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 Т_экстр. = 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 Т_экстр. 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:

1. выбранные режимы должны обеспечивать заданные технологические показатели;

2. 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 z_min 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 z_min. 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

1. 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 25003000 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_/d_п, 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 Р_рс рас­клини­вающее давление

Р_ =  (dE_/d_п + Р_рс). (1)

Расклинивающее давление в среде водорода

Р_ркН = Р_ = d{А[(lnBP₀)²  (lnBRTC_Н)²]/d_п}+ Р_рс, (2)

где А и В  константы [3]; P_Н  давление адсорбированного водорода; P₀  давле­ние водо­рода при степени покрытия поверхно­сти Q=0.

Так как P₀<< P_Н, при lnB = k_Н2

Р_ркН = k_Н2d(RTC_Н)²/d_п+ Р_рс. (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 Р_рс. 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.