Комплексная обработка глубоких отверстий переменного сечения в деталях из легких сплавов
На правах рукописи
ТРОФИМОВ Юрий Владимирович
КОМПЛЕКСНАЯ ОБРАБОТКА ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ В ДЕТАЛЯХ ИЗ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
Специальность: 05.02.07 – Технология и оборудование
механической и физико-технической
обработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж – 2011
Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».
Научный руководитель доктор технических наук,
профессор
Чижов Михаил Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор
Козлов Александр Михайлович;
кандидат технических наук,
доцент
Смоленцев Евгений Владиславович
Ведущая организация Московский автомобильно-дорожный
государственный технический
университет (МАДИ), г. Москва
Защита состоится 27 апреля 2011 года в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.04 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».
Автореферат разослан «» марта 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Кириллов О.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В современном производстве постоянно увеличивается номенклатура легких сплавов, характеризующихся малой плотностью, пластичностью и достаточной механической прочностью. Детали автомобильной и химической промышленности, аэрокосмического комплекса, приборостроения такие, как корпусы, втулки, элементы подшипниковых узлов, структурные элементы и т.п. выполняются из алюминиевых сплавов Д16, В95, АК4, АМг3 и других. Получение в них глубоких отверстий, полостей, каналов, особенно переменного сечения и малых размеров (менее 1 мм), является сложной технологической задачей. Так, корпусные детали двигателей требуют получения смазывающих, охлаждающих, технологических и импульсных отверстий переменного сечения и глубиной более 100 диаметров, а подшипниковые узлы со встроенными элементами технической диагностики более 140 диаметров. Одним из наиболее эффективных методов решения этой проблемы является гибридная обработка. При комбинированном формообразовании она характеризуется одновременным сочетанием двух и более физико-технических эффектов.
Предложенная российскими исследователями универсальная рабочая гипотеза, на базе которой получены А.С. №№ 944850, 1299719, 1493265, 1673329, Пат. РФ №2207231, определяла, что возможно получение качественных изделий, содержащих глубокие отверстия, посредством анодного растворения металлической арматуры в ультразвуковом поле (УЗП). При этом необходимо создать условия для избирательного растворения арматуры в электропроводящих материалах - детерминировать рабочие режимы в технологической ячейке, при обеспечении ультразвуковой интенсификации анодного растворения металлической арматуры на больших глубинах без разрушения канала на границе арматуры. Методологические основы проектирования гибридной обработки позволили разработать ряд высокоэффективных способов, в частности, для деталей из заготовок - матриц с установленной металлической формирующей арматурой, соответствующей технологическому припуску.
При обработке различных материалов способ гибридной обработки арматуры (ГОА) обладает рядом преимуществ перед традиционными технологическими методами получения отверстий. При исследованиях процессов получения глубоких каналов было доказано, что при ультразвуковой интенсификации анодного растворения арматуры возможна обработка отверстий с минимальным диаметром 8-10 мкм при соотношении глубины к диаметру более 800:1. При этом на технологические показатели практически не влияют твердость и структура обрабатываемого материала. Однако фактором, сдерживающим широкое внедрение ГОА, оказалась высокая чувствительность заготовок-матриц к составам электролитов и силовым воздействиям при окончательной обработке.
Дальнейшее развитие способа ГОА для материалов, допускающих технологическое армирование, предполагает:
- расширение номенклатуры материалов матриц, в первую очередь, за счет алюминиевых сплавов;
- определение на стадии разработки комплексной технологии эффективных методов окончательной обработки деармированных деталей, позволяющих обеспечить высокие эксплуатационные показатели обработанных отверстий в изделиях.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ГБ.2003.39. – «Теория и практика машиностроительного производства» ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».
Цель работы: создание комплексной технологии на основе электрофизикохимической обработки матриц из легких сплавов, обеспечивающей качественное получение глубоких отверстий переменного сечения.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи работы:
1. Обосновать применимость теоретических положений локализации границы арматуры при обработке матриц из алюминиевых сплавов.
2. Разработать и экспериментально исследовать способ гибридной обработки арматуры в матрицах из алюминиевых сплавов для получения глубоких отверстий переменного сечения и сверхмалых каналов.
3. Разработать физическую и математическую модели процессов образования глубоких отверстий переменного сечения в матрицах из легких сплавов с высокой собственной проводимостью при гибридной электрохимической обработке с неподвижным катодом в ультразвуковом поле.
4. Применить физические и математические модели способа окончательной обработки заготовок-матриц для получения задаваемых параметров процесса формообразования и обеспечения качественно-точностных показателей, предъявляемых к изделиям.
5. Разработать технологические режимы комплексной обработки деталей из легких сплавов, рекомендации по проектированию технологии, оборудования и инструмента.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием научных основ электрохимического формообразования и механической обработки. Использовались уравнения математической физики, теории колебаний, модального анализа, закономерности раттер-эффекта. Для проведения расчетов применялись численные методы и программирование на языках высокого уровня. Экспериментальные результаты обрабатывались с применением математической статистики.
Достоверность результатов исследований обеспечивалась разработкой теоретической части работы на основе классических закономерностей электрохимической и механической обработки, теории теплопроводности и ультразвукового поля, применением положений гибридных методов обработки, лицензированных программных продуктов, апробированных методик проведения экспериментов.
Научная новизна работы. Следующие результаты работы характеризуются научной новизной:
1. Установлен механизм формообразования глубоких отверстий переменного сечения в матрицах из алюминиевых сплавов с высокой собственной проводимостью, учитывающий разнонаправленное анодное поведение материалов заготовки-матрицы при гибридном удалении формирующей арматуры. Он является основой способа обработки полостей и каналов в металлических матрицах (Пат. РФ. № 2207231).
2. Разработана математическая модель процесса формирования глубоких отверстий в алюминиевых сплавах, учитывающая уровень ультразвукового воздействия на динамику перемещения анодной границы арматуры при электрофизикохимической обработке и обеспечивающая возможность управления скоростью процесса.
3. Установлены закономерности процесса гибридной обработки арматуры и исследован механизм влияния толщины удаляемого слоя на стабильность процесса окончательной механической обработки матриц. Получены физические и математические модели процесса одновременного удаления припуска с двух поверхностей, позволяющие определить оптимальные частоты вращения шпинделей и обеспечить уменьшение влияния амплитуды колебаний инструмента на качество поверхности матрицы.
Практическая значимость. Разработаны процессы гибридной обработки арматуры и механической обработки, которые позволяют получить глубокие (до 800:1) отверстия переменного сечения в деталях из алюминиевых сплавов при комплексной обработке заготовок.
Предложенный способ обработки обеспечивает достижение качественно-точностных показателей, предъявляемых к деталям из алюминиевых сплавов, что расширяет технологические возможности гибридной обработки формирующей арматуры.
Комплексные технологические процессы на основе ГОА позволяют повысить технологичность и производительность обработки деталей с глубокими (более 100:1) отверстиями переменного сечения из алюминиевых сплавов.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований по разработке процесса комплексной обработки деталей из алюминиевых сплавов, содержащих глубокие отверстия и полости переменного сечения, внедрены на предприятии «СКИФ-М» (г. Белгород) при разработке технологии изготовления структурных элементов летательных аппаратов с годовым экономическим эффектом 187,0 тысяч рублей. Результаты работы рекомендованы к внедрению на Воронежском механическом заводе, в Воронежском акционерном авиастроительном обществе. Внедрение результатов исследований позволило повысить эффективность технологических процессов, качество изготовления и надежность деталей из алюминиевых сплавов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных, российских конференциях и семинарах, в частности: «Теория и практика машиностроительного оборудования» (Воронеж, 2005), научной конференции молодых ученых и специалистов (Манхейм, Германия, 2005), Юбилейной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ВГТУ (Воронеж, 2006), международной научно-практической конференции ССП-2009 (Воронеж, 2009), научных конференциях ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» в 2004-2010 годах, научных конференциях ГОУВПО «Брянский государственный технический университет» в 2009-2010 годах
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получен один патент РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [3] – методика повышения виброустойчивости оборудования; [4, 6] – способ обработки отверстий в электропроводящих заготовках; [5] – механизм варьирования режимов растворения на границах области пассивации заготовки-матрицы; [7] – статистическая обработка показателей производительности и надежности при обработке деталей из алюминиевых сплавов на оборудовании различных компоновок; [8] – разработка режимов комплексной обработки; [10, 11] – экспериментальное исследование процесса обработки глубоких каналов; [12] – экспериментальное исследование процесса окончательной механической обработки деталей из алюминиевых сплавов, разработка математических и физических моделей процесса обработки.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы из 187 наименований. Основная часть работы изложена на 147 страницах, содержит 30 рисунков, 7 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, показаны научная и практическая значимость, методологические приемы, использованные при написании диссертации.
В первой главе представлен обзор наиболее часто применяемых деталей из алюминиевых и других легких сплавов, дано их описание и области использования. Показана номенклатура изделий, содержащих глубокие отверстия переменного сечения, и различные виды их получения, в том числе, посредством гибридной обработки металлических сплавов.
Сравнивая различные методы получения глубоких отверстий, можно сделать вывод о том, что при гибридной обработке формирующей арматуры возможна эффективная обработка деталей со смазывающими, охлаждающими и технологическими глубокими отверстиями (корпусы, втулки, структурные элементы, подшипниковые узлы, конструкции встроенной технической диагностики) с размерами сечения (d), глубиной (L) и отношением глубины к минимальному размеру сечения (L/d) до L=90 мм и L/d до 800:1. К примеру, для лазерной обработки L=18мм и L/d=20:1.
Отмечая высокие технологические показатели ГОА, следует указать и технологические ограничения. Для обеспечения гарантированного эффекта формирования отверстий матрицы должны иметь развитую область пассивации при одновременном активном анодном растворении арматуры в идентичном электролите. Это требует предварительного проведения исследований на предмет возможности технологического армирования ранее не применявшихся материалов матриц и разработки технологических режимов растворения арматуры в матрице под воздействием ультразвукового поля.
Установка технологической арматуры, формование матрицы-заготовки и проведение термообработки являются сдерживающими факторами при внедрении ГОА. Для заготовок с высокой собственной проводимостью отсутствуют исследования о надежности способов армирования, что требует дифференцированного подхода при выборе технических решений, позволяющих решить ряд проблем технологической подготовки производства для способа ГОА в матрицах из алюминиевых сплавов.
Окончательная обработка заготовок-матриц может производиться механическими (точение, фрезерование) или электрофизикотехническими методами (ЭХО, лазерная обработка). В настоящее время для подобных изделий применяют, в основном, механическую обработку. Обработка алюминиевых сплавов на одношпиндельных станках достаточно изучена, но в ряде случаев она не обеспечивает требуемой производительности и сохранения качества обработанных внутренних поверхностей. При необходимости окончательной обработки параллельных или коаксиальных поверхностей, что характерно для деталей, полученных при ГОА, возникновение несбалансированных силовых воздействий, например, при переустановках, приводит к появлению трещин в сформированных полостях или искривлению каналов. Это явилось основанием для исследования возможностей двухшпиндельных станков горизонтальной и вертикальной компоновки, оснащенных демпфирующими устройствами, которые отличаются сбалансированным силовым воздействием в технологическом пространстве.
Вторая глава посвящена описанию используемой методики исследований ГОА в матрицах из алюминиевых сплавов. Известно, что электрохимическая составляющая процесса вызывает увеличение скорости растворения, к примеру, вольфрамокобальтового твердого сплава в электролите на основе нейтральных солей, если достигается в ячейке потенциал, соответствующий потенциалу анодно-анионной активации. До этого момента выход металла по току близок к нулю. Растворения матрицы практически не наблюдается, ее поверхность покрывается плотной пассивирующей пленкой, а арматура активно растворяется, формируя заданную поверхность.
В тексте главы представлены основные позиции и порядок выполнения исследований: описаны методики, используемые при разработке физической и математической модели ГОА в алюминиевых сплавах; изложена методика определения рабочих потенциалов пассивации матрицы при активном растворении арматуры в УЗП, сформулированы основы разработки комплексных технологических процессов с определением эффективных методов окончательной обработки деталей.
Армированная заготовка выполняется из двух материалов с разнонаправленным анодным поведением. Образцы армированных матриц изготавливались в соответствии с рекомендациями для производства изделий из металлических порошков.
Для изготовления армированных заготовок-матриц применялись сплавы АК4, АД31, АВ, АК6, В92, В95, Д16, АМг3, АМг6. В качестве арматуры использовались медь, латуни, нихром, стали, вольфрам, молибден.
Гибридная обработка арматуры и поляризационные измерения проводились в электролитах NaOH, KOH, NaCl,KCl, NaNO3, различной концентрации (5%-25%).
Экспериментальные исследования ГОА проводились на установках с наложением общего и концентрированного УЗ поля.
Эксперименты на двухшпиндельных станках проводились на базе вертикального фрезерного станка - обрабатывающего центра. Использовались торцевые и концевые фрезы с числом режущих кромок от 2 до 5. Материалы режущей части - твердые сплавы групп ВК, ТК.
Обработанные отверстия контролировались по следующим параметрам: отношение глубины к минимальному размеру сечения, точность обработки, чистота внутренних поверхностей, производительность. Основным критерием оценки производительности при механической обработке принималась максимально возможная глубина резания.
В третьей главе представлены теоретические исследования процессов обработки полостей. Описаны физическая и математическая модели процесса ГОА.
Технологической особенностью ГОА является сложность контроля растворения арматуры при образовании отверстия. Одной из информативных величин в процессе перемещения анодной границы арматуры, определяющей ее положение, является сила тока (плотность тока) в электрохимической ячейке.
Обработка отверстия представлена как процесс растворения арматуры с наложением УЗП. Если обозначить длину обработки – L, а ось единичного отверстия выразить через Х (рис.1), то модифицированное уравнение изменения плотности тока при перемещении анодной границы в направлении Х, в течение времени t, может быть выражено в следующем виде:
 , | (1) |
где
i1 - начальная плотность тока, значение плотности тока при х=0;
L - глубина обработки;
х – текущая координата анодной границы арматуры (от х=0 до х=L);
М - комплексный показатель;
n – n= 1,2…
Основой для полученного модельного уравнения являются базовые выражения теории теплопроводности (диффузии). Для ГОА они могут быть представлены в виде:
 ; | (2) |
    | (3) |
где
V - объемный электрохимический эквивалент арматуры;
- электропроводность электролита в УЗП;
- кинематическая вязкость электролита;
К - приведенный электрокинетический коэффициент.
Показатель М определен из условия перемещения в полость объема электролита эквивалентного объему удаленной арматуры.
Уравнение (1) может быть использовано при наличии в объеме ячейки ГОА области развитой кавитации, которая облегчает перемешивание электролита, уменьшает поляризационные, электроосмотические и релаксационные ограничения. Процесс в этом случае характеризуется более высокими значениями начальной плотности тока, чем процесс без наложения УЗП. Предельная плотность тока снижается. Проведено модифицирование уравнения процесса ГОА. При этом получена удовлетворительная сходимость с экспериментальными результатами.
Важной задачей для точного аналитического описания течения процесса ГОА является определение начальной плотности тока. Увеличение начальной плотности тока в кавитирующем электролите, в общем случае, определяется следующими параметрами процесса: частота и амплитуда колебаний, размеры сечения полости и шероховатость матрицы, состав электролита, свойства материала матрицы и арматуры. Предварительные исследования процесса растворения арматуры в матрицах из алюминиевых сплавов показали, что наибольшее влияние для выбранных схем обработки на увеличение электропроводности оказывают частота колебаний акустической системы и состав электролита. Установлено, что при растворении арматуры переменного сечения в матрице с высокой собственной проводимостью необходимо использование начальной части области рабочих потенциалов пассивации матрицы. Для реализации данного условия был предложен специальный редуцирующий коэффициент. Он позволяет оценивать уровень снижения начального технологического тока в ячейке из-за возможного растворения матрицы в момент подачи напряжения и в местах изменения формы арматуры, например от d1 к d2 (рис.1).
В результате проведенных экспериментов определена формула для расчета значения начальной плотности тока, которая учитывает взаимосвязи в электрохимической ячейке.
 | (4) |
где
0- электропроводность электролита - без УЗП;
R – размерный коэффициент, определяется параметрами ячейки ГОА и составляет диапазон 45-90 В/мм.
Q1 – безразмерный частотный коэффициент оценивает влияние кавитационных эффектов на изменение плотности тока при различных рабочих частотах акустической системы;
Q2 – безразмерный редуцирующий коэффициент, используемый для арматуры переменного сечения, установленной в матрицах с собственной высокой проводимостью.
Рис. 1. Электрохимическая ячейка для реализации процесса ГОА: 1-арматура,
2-электропроводящая матрица из легкого сплава, 3-электролит (область наложения УЗП), 4-катод, 5-ультразвуковой преобразователь
Таким образом, была решена задача разработки физической и математической моделей процессов образования глубоких отверстий переменного сечения в матрицах из легких сплавов с высокой собственной проводимостью.
В четвертой главе показаны результаты исследования процессов ГОА в алюминиевых сплавах.
При растворении алюминиевых сплавов в растворах нейтральных солей, например NaCl, KCl, NaNO3, основную роль играет анодное поведение алюминия, характеризующееся развитием процесса анодного оксидирования. Достижимые плотности тока характеризуются значениями 0,04-0,08 А/см2 и обеспечивают пассивное состояние матрицы. Зона трансактивного растворения незначительна, что связано с насыщением поверхностного слоя продуктами растворения – устойчивого анодного оксидирования. Требованиям процесса ГОА сплавов В92, АМг3, АК4 удовлетворяет область пассивации, соответствующая диапазону потенциалов 0,6 -1,5 В. Плотность и стойкость окисной пленки зависят от уровня воздействия внешнего УЗП, которое не должно активировать течение обменных процессов при сохранении достаточного слоя окисла.
Снижение скорости растворения в области пассивации до минимума и ее контроль процентным содержанием меди в сплаве обусловливают ряд эффективности ГОА в алюминиевых сплавах АК6, АК4,АМг6, АМг3.
Таким образом, может быть сделан вывод о том, что для алюминиевых сплавов экспериментально подтверждено выполнение условий рабочей гипотезы о возможности локализации растворения на границе арматуры и могут быть получены требуемые отверстия посредством ГОА. Установлено, что для основных задач обработки глубоких отверстий в алюминиевых сплавах наиболее приемлемо использование электролитов на основе растворов нейтральных солей.
Исследования процессов ГОА подтвердили, что растворение арматуры в УЗП проходит при более высоких плотностях тока (до 200 А/см2), чем без УЗП, в 1,4-5,2 раза. Максимальное увеличение характерно для схем с локализацией УЗП. Применение схемы с общим озвучиванием электролита обеспечивает надежную стабильность пассивного состояния матрицы при незначительном снижении производительности. Увеличение плотности тока при этом не превышает 2,5 раз.
Было установлено, что основной интенсифицирующий фактор при растворении меди и латуни в УЗП - это кавитационное разрушение пленки CuCl на торце арматуры. Процесс сопровождается уменьшением конусности торца и равномерностью растворения. Однако для сплавов Д16, АК4, АК6 наиболее оптимальным является применение стальной или нихромовой арматуры, обладающей большей устойчивостью к образованию электролитических пар внутри ячейки. Для всех сплавов отмечен эффект, выражающийся в достижении минимальных значений предельной плотности тока, что благоприятно отражается на достижении максимальной глубины при полном растворении арматуры внутри полостей.
В результате проведенных исследований получены комбинации электропроводящих заготовок с локализацией анодного растворения на границе арматуры. Некоторые примеры материалов матриц, арматуры, потенциалы области растворения и параметры УЗП приведены в табл. 1.
Установленные закономерности разнонаправленного анодного поведения матрицы и арматуры при гибридной обработке позволили решить задачи исследования и применимости способа ГОА.
Таблица 1
Области растворения и параметры УЗП
| Материал матрицы | Материал арматуры | Состав электролита и диапазон потенциалов области растворения (В) | Параметры УЗП частота / амплитуда (кГц / мкм) |
| В92 | Л63 | 15% NaCl (0,7-1,3) | 18 / 6 |
| АМг3 | Х20Н80 | 10% KCl (0,7-1,5) | 19 / 7 |
| Д16 | Х15Н60 | 15% NaCl (0,5-1,4) | 18 / 9 |
| АМг6 | Х20Н80 | 25% NaCl (0,6-1,5) | 19 / 6 |
| АК4 | сталь2Х13 | 20% NaNO3 (0,6-1,4) | 18 / 8 |
| В95 | Х20Н80 | 10% KCl (0 -1,65) | 18 / 8 |
Оценка адекватности модельных уравнений ГОА в алюминиевых сплавах представлена на рис.2. Отклонения расчетных и экспериментальных данных не превышают 7-9%. Можно сделать вывод о работоспособности выбранной технологической схемы и достаточной точности полученных решений при смещении анодной границы в глубину отверстия или полости.
Рис. 2. Изменение плотности тока i по времени t при растворении арматуры из нихрома (Х20Н80) в матрице из сплава АМг3 (электролит 10%KCl): 1 – расчет; 2 – эксперимент; 3,4 – аналогично без УЗП
Исследования с применением математического планирования эксперимента позволили получить регрессионное уравнение, адекватно описывающее зависимость плотности тока (i) от времени обработки (t), наличия или отсутствия УЗП(u) и материала арматуры (m):
 | (5) |
В пятой главе описана разработка предлагаемых комплексных технологических процессов получения деталей из алюминиевых сплавов, включая определение эффективных методов окончательной обработки, позволяющих обеспечить высокие эксплуатационные качества обработанных отверстий и полостей переменного сечения, изделия в целом.
Комплексные технологические процессы на основе ГОА включают следующие этапы: получение армированных заготовок - уточнение технологических режимов - обработка - контроль.
Рабочие режимы обработки были получены на экспериментальных установках посредством использования результатов исследования процессов пассивации матриц из алюминиевых сплавов и одновременного активного растворения арматуры (табл. 2).
Таблица 2
Рабочие режимы ГОА
| Материал матрицы | Материал арматуры | Состав электролита и рабочее напряжение (В) | Параметры УЗП частота / амплитуда (кГц / мкм) |
| В92 | Л63 | 15%NaCl, 9 В | 18 / 6 |
| АМг3 | Х20Н80 | 10%KCl, 14 В | 19 / 7 |
| АК4 | сталь2Х13 | 20%NaNO3, 13 В | 18 / 8 |
В исследованиях по применению двухшпиндельной фрезерной обработки деармированных матриц с устройством демпфирования как эффективного метода окончательной обработки деталей из алюминиевых сплавов изучали амплитудно-частотные и амплитудно-фазовые характеристики (АЧХ) и (АФХ). Работу осуществляли на экспериментальной установке, включающей источник динамической силы (актуатор), тензорезистор для измерения усилия, датчик перемещения (индуктивный, релятивный) и трехкоординатные датчики ускорения (пьезокварцевые, абсолютные). В качестве актуаторов для определения АЧХ и АФЧХ применялись гидравлические и пьезокварцевые источники переменного усилия, а также импульсные молотки.
Разработаны модели динамического поведения структуры станка, оснащенного демпфирующим устройством, и процесса резания деармированной матрицы многолезвийным инструментом. Образованный контур регулирования позволяет провести моделирование двухшпиндельной фрезерной обработки и определить его стабильность при изменении конструкции демпфирующего устройства и варьирования режимов, в соответствии с принятыми качественно-точностными критериями.
Для проведения оптимизационных расчетов структуры станка, а также комбинированного моделирования динамического поведения структуры станка и управляющих контуров приводов во временном домене была разработана гибкотельная мультикомпонентная модель станка. На основе этой модели проводился анализ методом конечных элементов. Последующее моделирование контуров регулирования и комбинированный расчет динамических характеристик структуры позволили провести исследование поведения несущей системы станка в зависимости от положения компонентов в рабочем пространстве и уточненный расчет конструкции демпфирующего устройства.
Полученные характеристики динамического поведения станка использовались в дальнейших расчетах карт стабильных состояний станка при моделировании перемещения режущей кромки вследствие воздействия переменной силы. Для верификации рассчитанных границ стабильной области обработки была проведена тестовая фрезерная обработка исследуемых материалов.
Окончательную обработку деармированных заготовок-матриц производили исходя из рассчитанных и верифицированных карт стабильных состояний станка. При этом были выявлены параметры процесса, при которых производительность обработки ограничивалась наступлением нестабильного состояния, а не максимальной мощностью шпинделя.
Карты стабильности рассчитывались на основе модели обработки. Результаты расчетов достаточно адекватно описывают реальную кривую границы стабильности процессов. Некоторые отклонения в значениях рассчитанной глубины резания объясняются нелинейной зависимостью динамической силы резания от приведенного коэффициента силы резания.
Технологические параметры процесса фрезерования при окончательной обработке матриц для указанных материалов показаны в табл. 3.
Таблица 3
Технологические параметры фрезерования матриц
| Материал матрицы | Частота вращения шпинделя (об/мин) | Максимальная глубина резания (мм) | Подача (мм/зуб) |
| В92 | 6800-7000 | 13,5 | 0,2 |
| АМг3 | 8500-9000 | 11,0 | 0,2 |
| АК4 | 7500-8000 | 10,5 | 0,2 |
Использование результатов исследований фрезерования на двухшпиндельных станках способствует увеличению глубины резания при окончательной обработке матриц и повышению производительности до 235%.
Проведенные исследования позволили предложить комплексный технологический процесс получения деталей из алюминиевых сплавов, который включает следующие операции: 1 – заготовительная: получение исходного материала; 2 – заготовительная: формование и установка арматуры, сушка; 3 – формование; 4 – обработка: растворение арматуры, промывка в объеме электрохимической ячейки; 5 – промывочная: промывка матрицы в УЗП; 6 - контрольная, контроль матрицы; 7 – подготовительная: выбор и окончательный расчет демпфирующего устройства, на основании данных о материале заготовки, чертежа изделия, материале режущей кромки инструмента, их количества и т.д.; 8 – подготовительная: разработка карты стабильности для конкретной задачи обработки; 9 – подготовительная: корректировка управляющей программы, посредством внесения дополнений из карты стабильности; 10 – фрезерная, окончательная обработка матрицы; 11 – контрольная, контроль детали.
Анализ современных технологических проблем на предприятиях различных отраслей промышленности позволяет сделать заключение, что внедрение разработанных процессов может быть эффективно и комплексно осуществлено на приборостроительных, автомобильных, авиационных и ракетостроительных заводах, а также на предприятиях, производящих металлорежущий инструмент.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Использование в современном производстве широкой номенклатуры деталей из легких сплавов, содержащих глубокие отверстия и полости переменного сечения, может быть обеспечено на базе применения теоретических основ локализации границы арматуры при гибридной обработке в матрицах с собственной высокой электропроводностью и путем демпфирования колебаний при окончательной обработке. Разработанные физические и математические модели процессов комбинированного формообразования позволили создать комплексные технологические процессы обработки деталей из легких сплавов. Предложен механизм формообразования глубоких отверстий переменного сечения, состоящий в том, что на начальном этапе производится армированная заготовка, которая в электрохимической ячейке обеспечивает течение разнонаправленных анодных процессов матрицы и арматуры. Наложение ультразвукового поля в технологическом пространстве обеспечивает сохранение пассивного состояния матрицы при увеличении глубины электролита в полости. Окончательная обработка детали производится в зависимости от прочностных характеристик деармированной матрицы.
1. Разработана математическая модель процесса формирования глубоких отверстий в легких сплавах, учитывающая уровень кавитационного воздействия на динамику перемещения анодной границы арматуры при электрофизикохимической обработке и обеспечивающая возможность управления скоростью процесса.
2. Установлен механизм формообразования глубоких отверстий переменного сечения в матрицах из алюминиевых сплавов с высокой собственной проводимостью, учитывающий разнонаправленное анодное поведение материалов заготовки-матрицы, при гибридном удалении формирующей арматуры.
3. Установлены закономерности процесса ГОА и исследован механизм влияния толщины удаляемого слоя на стабильность процесса окончательной механической обработки матриц. Разработаны физические и математические модели процесса одновременного удаления припуска с двух поверхностей, позволяющие определить оптимальные частоты вращения шпинделей и обеспечить уменьшение влияния амплитуды колебаний инструмента на качество поверхности матрицы.
4. Предложен способ (патент РФ № 2207231) обработки арматуры в металлических матрицах, который дает возможность обрабатывать различные виды полостей в деталях из легких сплавов с относительной глубиной 500-800:1.
Разработанные физические и математические модели процесса ГОА в алюминиевых сплавах позволяют вести автоматизированную разработку отдельных этапов комплексных технологических процессов и имеют достаточную сходимость с результатами проведенных исследований анодных процессов материалов матриц и арматуры.
5. Исследованы закономерности влияния ультразвукового поля на развитие процесса ГОА. Количественно определен коэффициент связи частоты колебаний с уровнем начальной плотности тока. Для обеспечения стабильности процесса ГОА предложено использование в качестве основных схем с общим озвучиванием электролита и материалов арматуры эффективно удаляемой в растворах нейтральных солей. Определен специальный коэффициент редуцирования начальной плотности тока с целью обеспечения длительного пассивного состояния матриц. Относительное увеличение начальной плотности тока в УЗП определяется интенсивностью области кавитации и составом электролита. Установлено эффективное увеличение начальной плотности до 2,5 раз, что достаточно для получения полостей глубиной до 800:1. Установлены параметры регулирования разнонаправленных анодных процессов матрицы и арматуры. Предложены режимы ГОА с амплитудой ультразвукового воздействия до 9 мкм и частотой 18-20 КГц.
6. Получены на основе физических и математических моделей процесса фрезерования (при оснащении станка устройством демпфирования) для деармированных матриц с одновременным удалением припуска на двух поверхностях, основные параметры окончательной обработки деталей при обеспечении требуемых качественно-точностных показателей. Установлено повышение производительности обработки до 235% при рекомендуемых частотах вращения 6000 -9000 об/мин (величина подачи 0,2 мм/зуб).
7. Разработаны комплексные технологические процессы обработки деталей из алюминиевых сплавов. Представлены рекомендации по технологической подготовке производства. Осуществлено внедрение в производственный процесс изготовления структурных элементов с годовым экономическим эффектом 187,0 тысяч рублей.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Трофимов Ю.В. Обработка армированных заготовок из алюминиевых сплавов/Ю.В.Трофимов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. №10. - С. 143-146.
2. Трофимов Ю.В. Применение двухшпиндельных обрабатывающих центров/Ю.В.Трофимов // Бурение и нефть. 2008. №5. - С. 46-48.
3. Несмеянов Е.А. Повышение виброустойчивости оборудования при комплексной обработке / Е.А.Несмеянов, Ю.В. Трофимов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. №7. - С. 23-26.
4. Чижов М.И. Комплексная обработка деталей из алюминиевых сплавов/М.И.Чижов, Ю.В.Трофимов//Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2010. №6(284).- С.99-103.
Патент на изобретение
5. Патент 2207231 Российская Федерация, МКИ В23Н 5/06, 3/00. Способ комбинированной обработки поверхностей в армируемых электропроводящих материалах / В.Т. Трофимов, В.В. Трофимов, Ю.В. Трофимов; №2207231; заявл. 23.07.2001; опубл.27.06.2003, Бюл. №18. 4 с.
Статьи и материалы конференций
6. Трофимов Ю.В. Гибридные технологии обработки материалов высокой прочности / Ю.В. Трофимов, М.И. Чижов // Сборник трудов победителей конкурса на лучшую научную работу, посвященного 50-летию ВГТУ. Воронеж: ВГТУ, 2006. - С. 117-119.
7. Чижов М.И. Технико-экономические показатели применения гибких производственных систем (ГПС) в Европе / М.И. Чижов, Ю.В. Трофимов // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2006. Вып. 5. - С. 85-88.
8. Трофимов Ю.В. Станочное оборудование для внедрения гибридных процессов в машиностроении / Ю.В. Трофимов // Теория и практика машиностроительного оборудования: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2002. Вып. 10. - С. 112-114.
9. Чижов М.И. Комплексная обработка деталей из сплавов на основе алюминия / М.И. Чижов, Ю.В. Трофимов // Студент, специалист, профессионал: сб. тр. III междунар. науч. - практ. конф. Воронеж: ВГТУ, 2009. - С.177-183.
10. Трофимов Ю.В. Теоретические основы комплексной обработки глубоких каналов / Ю.В. Трофимов, В.Т. Трофимов // 45 научно-техническая конференция ВГТУ: сб. тр. науч. - техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2005. - С. 141-142.
11. Трофимов Ю.В. Технология получения отверстий малого диаметра / Ю.В. Трофимов, В.Т. Трофимов, В.В. Трофимов // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2007. - С. 181-186.
12. Несмеянов Е.А. Оптимизация режимов резания для двухшпиндельных фрезерных обрабатывающих центров / Е.А. Несмеянов, Ю.В. Трофимов // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. - С. 73-77.
Подписано в печать 24.03.2011.
Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №____
ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14
