Россия
УДК 621.9.047 Химическая и электрохимическая обработка
В работе рассмотрены ограничения, объективно существующие при изготовлении наукоемких изделий типа высокоресурсных силовых приводов трансмиссий и высоконагруженных магистралей в авиакосмической и энергетической отраслях производства. Показаны роль и значение для применения в отраслях на этапе отработки технологичности комбинированных видов обработки с упрочнением при максимальном использовании потенциала и научно обоснованном регулировании параметров физико-технических воздействий, предложены оригинальные принципы построения технологического процесса с базированием последующих операций от ранее заложенной в документации поверхности. Для реализации такого подхода созданы новые конструкции автоматизированного инструмента, которые прошли успешные испытания в авиакосмическом и энергетическом отраслевом производстве, чем доказали перспективность их использования, в том числе в общем машиностроении страны. Выполнены в необходимом объеме исследования предложенных методов комбинированной обработки с упрочнением на технико-экономические показатели изделий, включающие возможность значительного сокращения их межремонтного периода, расширения ресурса и области использования в машиностроении представленных результатов исследований. Создан новый метод комбинированной обработки внутренних поверхностей деталей с использованием регулируемого периметра рабочей части упрочняющего элемента и непрофилированного инструмента в форме электрода-щетки, применение которого обеспечивает его подвод в труднодоступные участки поверхности для выполнения технологических операций, в том числе при обработке внутренних поверхностей переменного сечения трубных элементов конструкций силовых передач. Проанализированы результаты усталостных испытаний при различных базовых циклах по стандартным методикам, доказавшие перспективность использования предложенных методов и режимов комбинированной обработки в случае ограничения доступа традиционного инструмента в зону реализации процесса. Проведены испытания обработанных созданными электродами-инструментами наукоемких изделий со сложной формой и переменными размерами для авиакосмического и энергетического машиностроения.
технология, оборудование, ограничения, технологичность, трансмиссии, магистрали, ресурс
Введение
Расширение области использования достижений технологической науки зависит от успешного преодоления ограничений по доступу инструмента в зону проведения технологической операции. Для этого требуется создание новых, на уровне изобретений [1, 2] и открытий, методов и средств технологических приемов с использованием в едином процессе сочетаний физико-технических воздействий и управление их применением для отработки производственной технологичности [3]. Такие исследования выполняются преимущественно на стадии создания опытных образцов технических объектов, при проведении ремонтных и восстановительных работ с учетом условий эксплуатации изделий на этапе от единичного до серийного производства [4]. Типовыми объектами, определяющими темпы развития отечественного машиностроения, в первую очередь, являются авиакосмическая и энергетическая отрасли, откуда полученные результаты интенсивно переносятся на другие участки народного хозяйства [5, 6].
Анализ типовых ограничений для доступа инструмента к внутренним поверхностям трубчатых трансмиссий и зонам упрочнения узлов соединения магистралей. Для расширения технологических возможностей использования в машиностроении комбинированных методов обработки с упрочнением требуется назначать технологические приемы и использовать средства производства, устраняющие ограничения с доступом инструмента в рабочую зону. В большей степени это относится к внутренним поверхностям деталей, имеющих сложный геометрический профиль, большой перепад сечений, высокую точность, выполненных из труднообрабатываемых материалов и работающих в условиях высоких механических, тепловых и импульсных нагрузок. Особую сложность представляет выполнение технологических операций в процессе создания, ремонта и освоения изделий в серийном производстве, где технологическая наука должна реализовать накопленный потенциал исследований, обеспечивающих конкурентоспособность создаваемой, в том числе, наукоемкой продукции. В авиакосмической отрасти к таким деталям относятся узлы длинномерных трансмиссий из металлических трубчатых заготовок, в основном со стандартными диаметрами, величиной от 23 до 105 мм, работающих при вращении с числом оборотов до
15000 об/мин, у которых концевые участки осаживают на больший наружный диаметр (рис. 1).
Участки, типа приведенного на рис. 1, являются наиболее нагруженными при эксплуатации в приводах и магистралях. Это подтверждается статистическими сведениями о работе редукторов с валами для вращения воздушных винтов летательных аппаратов, касается нескольких приводов (насосов, вентиляторов, компрессора и др.), где в процессе эксплуатации возникают различные перегрузки, создающие опасные концентраторы напряжений. Исследования в [7] показали, что механическое пластическое упрочнение мест изменения периметра каналов способно повысить усталостную прочность валов трансмиссий на порядок и выше. Для этого требуется обеспечить доступ упрочняющего инструмента к переходной зоне детали, для чего устранить снижение диаметра заготовок на концевых участках (рис. 1). Здесь величина δ обычно не превышает десятых долей мм, но сопряжение участков в процессе обработки представляет сложности и формирует выступы, создающие концентраторы напряжений.
После чистовой обработки вала с пластическим наклепом внутренней поверхности на глубину 0,08 мм было достигнуто ее упрочнение на 18…20 %,что позволило повысить усталостную прочность и долговечность на базе 2·107 циклов испытаний более, чем
в 2 раза, превысить установленный для узла ресурс и открыть возможность дальнейшего повышения этого показателя редуктора.
Аналогичные проблемы по восстановлению работоспособности конструкций возникают при эксплуатации магистралей высокого давления в различных видах летательных аппаратов и на энергетических установках, наиболее заметно проявляющиеся на атомных электростанциях, где давление теплоносителя составляет 16 МПа при температуре до 600 К.
После сварки доступ инструмента внутрь трубы становится невыполнимым и упрочнение приходится выполнять по наружной поверхности, где после остывания шва могут формироваться нежелательные растягивающие напряжения. В работе [8] показан перспективный метод комбинированной обработки наружных поверхностей с упрочнением при использовании в качестве инструмента электрода-щетки, схема которой приведена на рис. 2.
При использовании комбинированного процесса (рис. 2), который осуществляется при вращательном движении инструмента в период перемещения пучков проволоки 1 над заготовкой 2 через токопроводящую среду 6 при подаче постоянного или импульсного тока, через межэлектродный зазор происходит электрохимическое удаление припуска с заготовки. За счет вращения и подачи 5 электрода-щетки электрохимический процесс переходит в электроэрозионный с импульсным тепловым локальным расплавлением металла, а далее формируется импульсное ударное воздействие концом пучка, вызывающее наклеп поверхности заготовки. Здесь управление процессом осуществляется по величине подачи, скорости вращения, прижима концов пучка проволоки к заготовке с учетом характеристик материалов, размеров инструмента, детали и рабочей среды, которой может быть эмульсия, суспензии, а чаще промышленная вода с различными добавками, рекомендуемыми в [8, 9].
Разработанная технология процесса позволяет взамен получения наклепа, широко используемого в машиностроении, с постоянным силовым воздействием, достигаемого, например, многократной обкаткой, использовать импульсные воздействия пучков проволоки с управляемым режимом обработки, при котором изгиб или деформация трубы невозможны. Процесс выполняется по изобретению [1] автора статьи.
Для завершения обработки менее доступный участок зоны упрочнения, в месте с минимальным зазором менее 10 мм между трубой и элементами конструкции установки, предлагается осуществлять токопроводящим гибким электродом комбинированной электроабразивной обработкой при возвратно повторяющимся перемещении инструмента с расчетным прижимом к месту упрочнения детали, а после просвета более 10…15 мм упрочнять раскаткой роликовым инструментом, предложенным одним из авторов статьи в [4].
Создание инструмента для комбинированной обработки
Для подвода инструмента в зону комбинированной обработки внутренней поверхности валов трансмиссий необходимо учесть условия эксплуатации, ремонта и восстановления изделия. При этом требуется обеспечить длительную прочность при многократных знакопеременных нагружениях, отсутствие вибраций объекта, возможность замены сменного участка длинномерной трансмиссии в полевых условиях. Численная оценка уровня технологичности [6] с применением предложенного на рис. 3 электрода-инструмента показала значительные преимущества его использования, что ранее было установлено в [10] для широкой номенклатуры наукоемких изделий различных отраслей машиностроения и защищено патентами России.
Представленный на рис. 3 инструмент для выполнения технологической операции чистового формообразования с упрочнением внутренней поверхности перед обработкой помещают в открытый диэлектрический контейнер 3, который является частью технологической оснастки специального оборудования и тягой 1 перемещают конус 6 в корпусе 5 упрочняющего элемента. Перед этим снижают диаметр рабочей части для свободного прохождения ее через концевые осаженные участки обрабатываемой трубы. Затем инструмент пропускают в направлении А до выхода его из обрабатываемой заготовки и помещают внутрь контейнера за концом заготовки. Через отверстие 4 подают через концевую щель Б под давлением электролит, который далее сливается через отверстия в контейнере.
К тяге 1 в направлении В (рис. 3) прикладывают расчетное усилие относительно трубы 2, расширяют корпус 5 упрочняющего элемента на величину, равную сумме величин напуска (δ на рис. 1) и припуска на глубину деформации слоя при упрочнении. Инструмент рабочей частью 11 входит в концевую часть заготовки. Начинается анодное растворение концевого участка δ до окончания его удаления. Далее упрочняющим элементом 5 производится наклеп всей поверхности детали. Режимы упрочнения аналогичны приведенным в [4]. Также инструмент оснащен следующими элементами: отверстие для подачи жидкой рабочей среды в зону обработки 4; износостойкое твердое покрытие упрочняющего элемента 8; пружина 10. Под цифрой 7 представлен продольный разрез упрочняющего элемента; 9 ‒ разрез рабочей части.
В результате комбинированной обработки внутренних поверхностей приводов были достигнуты технологические показатели, приведенные на рис. 1, и получена требуемая степень упрочнения рассматриваемых материалов величиной до 30 %.
Созданная по изобретению [1] конструкция ЭЩ и модели [11] ее работы описывают комбинированные процессы с управляемым упрочнением концевых и контактирующих участков магистралей, что дает возможность спроектировать процессы обработки с оптимальными технологическими режимами.
Характеристики поверхностного
слоя материала
Авторы в [4, 10] показали, что остаточные напряжения с требуемыми характеристиками при пластическом упрочнении могут служить инструментом управления процессом для значительного повышения усталостной прочности и долговечности материала. С учетом результатов их анализа в работе [11] приведено моделирование построения технологии комбинированной обработки с поверхностным упрочнением, что позволило обоснованно назначить рабочие режимы процесса.
Для повышения ресурса трансмиссий и всех видов магистралей требуется назначать технологические мероприятия по повышению периода работоспособности за счет упрочнения материала изделий и снижения сопротивления течению рабочих сред, особенно на переходных участках, где чаще возникают концентраторы напряжений и местные неровности, часть которых на предшествующих этапах изготовления не может быть полностью устранена. В технических условиях по комбинированным методам обработки (КМО) с упрочнением в источнике [12] указывается на необходимость включения в процесс технологических операций, которые обеспечивают после КМО силовых трансмиссий и высоконагруженных магистралей получение требуемых эксплуатационных параметров этих объектов (включая переходные и сопрягаемые участки) по шероховатости не ниже
Ra = 0,63…1,25, что для легированных сталей достижимо при разработанных приемах комбинированной обработки (КО) по схеме протягивания, с использованием непрофилированного электрода по [8] в форме ЭЩ и новой конструкции мест соединения многослойных магистралей, показанной на примере участка дыхательного трубопровода атомной электростанции.
Обобщенным доказательством полезности и конкурентоспособности предлагаемого варианта КО с упрочнением являются результаты усталостных испытаний, выполняемые в авиационном машиностроении изгибом с кручением образца на базе 2·107 циклов, а в энергетической отрасли − путем применения ускоренных усталостных испытаний на базе 3·104 или 3·105 циклов для установления ресурса и межремонтного периода.
Анализ результатов усталостных испытаний упрочненных образцов доказывает достоверность заключения о полезности использования упрочнения деталей из сталей с пластическим наклепом при применении КМО для всех отраслей машиностроения. Здесь рассматриваются осредненные результаты испытаний конструкционных легированных сталей (типовые представители: 40ХНМА, 30ХГСА), преимущественно используемых в силовых приводах летательных аппаратов и их двигателей. Аналогичные сплавы применяются в магистралях изделий авиакосмического машиностроении, а также для оценки качества материалов, используемых в магистралях атомных станций.
С учетом специфики эксплуатации и ремонта магистралей оказалось экономически оправданным проводить здесь ускоренные испытания образцов после КМО с упрочнением. Испытания показали возможность повысить усталостную прочность и долговечность наукоемких изделий до 10 раз, повысить их ресурс и получить большой народно-хозяйственный эффект за счет снижения времени на ремонт приводов и остановку агрегатов станций на период выполнения восстановительных операций.
Заключение
Проведен анализ типовых ограничений для доступа инструмента к внутренним поверхностям трубчатых трансмиссий и зонам упрочнения узлов соединения магистралей. Для этого использованы новые принципы построения технологического процесса, созданы оригинальные конструкции инструмента, испытанные в отраслевом производстве и показавшие перспективность для использования в общем машиностроении страны. Проведены исследования положительного влияния предложенных методов комбинированной обработки с упрочнением на технико-экономические показатели изделий, включающие возможность значительного сокращения их межремонтного периода, расширения ресурса и области использования в машиностроении представленных результатов исследований.
1. Авторское свидетельство № 914227. Способ электрохимической обработки. Смоленцев В.П., Садыков З.Б., Шаршаков И.М., Литвин Т.П. // 1982, Бюл. изобр. № 11.
2. Патент на полезную модель № RU 231708 U1, 06.02.2025, МПК B24B 39/04. Автоматизированное устройство для поверхностного упрочнения зоны повреждения сварных соединений / Данилов А.Д., Уразов О.В. // 2025. Бюл. изоб. № 4
3. Смоленцев В.П., Сафонов С.В., Смоленцев Е.В. Обеспечение качества продукции авиационно-космического машиностроения на этапах отработки технологичности изделий // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2025. № 6 (168). С. 11−18.
4. Уразов О.В., Данилов А.Д. Исследование процесса восстановления поврежденных поверхностей трубопроводов методом поверхностного наклепа // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2021. Т. 17. № 5. С. 126−132.
5. Cмоленцев Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки // М.: Машиностроение. 2005. 511 с.
6. Уразов О.В., Сафонов С.В., Смоленцев В.П. Процесс отработки технологичности наукоемких изделий машиностроения // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологи. 2025. № 6 (374). С. 55−63.
7. Бабичев А.П., Бабичев И.А. Основы вибрационной технологии. Ростов-на-Дону: Изд. центр ДГТУ. 1998. 624 с.
8. Кириллов О.Н. Технология комбинированной обработки непрофилированным электродом // Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет». 2010. 254 с.
9. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей / Под. ред. Б.П. Саушкина // М: Дрофа. 2002. 656 с.
10. Смоленцев В.П. Технология электрохимической обработки внутренних поверхностей // М.: Машиностроение. 1978. 176 с.
11. Уразов О.В. Технология и оборудование для комбинированных методов обработки объектов транспортного и энергетического машиностроения // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2025. Т. 21. № 4. С. 210−221.
12. Справочник технолога / Под ред. А.Г. Суслова. М: Инновационное машиностроение. 2019. 800 с.
