сотрудник
Воронеж, Воронежская область, Россия
УДК 621.9 Обработка резанием (снятием стружки).Резка (разделительные операции без образования стружки).Дробление и измельчение.Обработка листового материала.Изготовление резьбы и т.д. Способы (технология), инструменты, машины и приспособления
Для расширения возможностей проектирования технологических процессов чистовой обработки деталей запорной арматуры в ряде случаев целесообразно использовать возможности варьирования различных воздействий в едином комбинированном методе с наложением электромагнитного поля. Обоснованное сочетание физических воздействий позволяет обеспечить необходимые конструктивные параметры, достаточную производительность и повышение ресурса готовых изделий.
ЭЛЕКТРОЭРОЗИЯ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ.
1 Состояние исследования и актуальность работы
Запорная арматура предназначена для регулировки подачи жидких и газовых сред и широко используется в самых различных областях машиностроения. Шиберные, клиновые задвижки, клапаны и дроссельные устройства могут использоваться в добывающей промышленности, авиакосмической отрасли, транспортном машиностроении и других областях. Условия эксплуатации запорной арматуры могут быть самыми разнообразными, в том числе, данные узлы должны надежно работать в условиях как сверхнизких, так и сверхвысоких температур, выдерживать высокое давление протекающих через них сред, в том числе, и агрессивных. В случае утечки последних последствия могут быть катастрофическими и для окружающей среды, и для техники и персонала, и даже, в случае космического запуска ‒ для престижа в масштабах государства. Таким образом, обеспечение рабочих характеристик запорной арматуры является важной задачей для производства. Достижение герметичности в местах сопряжений металлических деталей возможно, если обеспечить необходимую точность изготовления и шероховатость. Для этого традиционно используют абразивную обработку, обеспечивающую заданные конструктивные значения. Недостатком данного подхода является то, что абразивные зерна инструмента в процессе формообразования деталей могут оставаться в получаемом поверхностном слое и в дальнейшей эксплуатации будут вызывать повышенное трение и износ в запорных устройствах. Таким образом, данное явление нежелательно, снижает ресурс и надежность получаемых изделий. Решение задачи по поиску новых способов обработки, не снижающих срок службы изделий при обеспечении необходимых конструктивных параметров с обеспечением производительности, сопоставимой с абразивной обработкой, можно считать актуальным.
Целью работы является поиск оптимального сочетания физических воздействий в едином комбинированном технологическом процессе изготовления и ремонта запорной арматуры с предельно минимальными зазорами в регулирующих механизмах.
2 Материалы и методы
В качестве альтернативы абразивной обработке ранее в исследованиях предпринимались неоднократные попытки использовать электрофизикохимические методы обработки, которые основаны на бесконтактном воздействии на обрабатываемую поверхность [1-4]. За счет комбинации различных методов можно достичь формирования необходимой геометрии и шероховатости поверхности с заданными свойствами. Несмотря на успехи ученых-исследователей по данному направлению, абразивная обработка пока имеет следующие решающие преимущества: сравнительная простота средств технологического оснащения, их распространенность и доступность, технологический процесс давно известен и изучен, и обладает высокой производительностью. Таким образом, одним из методов достижения поставленной в работе цели является поиск и разработка комбинации воздействий без использования абразива, обеспечивающих требуемое качество обработки и её производительность.
3 Результаты исследований
Как показали проведенные исследования, оптимальное соотношение производительности и точности обработки дает комбинация электроэрозионной и электрохимической обработок [5-8]. Съем металла с заготовки происходит одновременно за счет воздействия электрическими разрядами от эрозионной составляющей процесса и от анодного растворения. При этом отсутствует непосредственный контакт между инструментом и обрабатываемой поверхностью. Воздействие электроэрозионно-химической обработки на формируемую поверхность проявляется в виде наводораживания в результате разложения электролита, локальных зон термического влияния, растворения связки по границам зерен металла. Все это может оказать негативный эффект на эксплуатационные характеристики готовых изделий.
Известно, что электроэрозионную обработку (ЭЭО) можно вести по прямой или обратной схеме [2]. При прямой схеме достигается необходимое для данного случая качество поверхностного слоя, но снижается производительность. Таким образом, электроискровую обработку при прямой полярности используют для чистовых операций или в том случае, когда необходимо удалить небольшой объем материала. При обратной схеме заготовку обрабатывают импульсами более высокой мощности, поэтому в зависимости от этого и времени протекания процесса термическое расширение металла происходит с разной скоростью, что также зависит от глубины проникновения подводимого тепла [9]. Перепад температур в момент протекания импульсного воздействия может превышать 2500 К, что сопровождается высоким давлением от образования газовых пузырей в межэлектродном пространстве (Ррс) (рис. 1). В результате становится высокой вероятность возникновения внутренних напряжений и микротрещин [10, 11]. Если обработка ведется в жидкой среде, то после разряда происходит дальнейшее резкое охлаждение поверхности заготовки, что вновь повышает напряжения и трещинообразование. На рисунке 1 изображено формирование слоя металла после обработки детали электроэрозионной обработкой [12]. Если обозначить общую глубину поверхностной трещины как Н, то она будет складываться из величин двух участков, обозначенных на рисунке как h1 и h2. Если на верхнем участке расхождение краев трещины достаточно велико, то на нижнем, ближе к устью концентратора, расстояние такое, что наблюдается межмолекулярное воздействие (Рб) между ее сторонами. В результате на участке h2 могут наблюдаться сжимающие силы. В случае попадания рабочей среды в микротрещину может происходить снижение сжимающих сил и ее расклинивание с разрушением связей межкристаллитной решетки. Количество свободной энергии Eδ наноразмерных резистивных пленок, обратно пропорциональное значению толщины вышеуказанной пленки δn, ‒ результат расклинивающей силы Pδ = -dEδ /dδn, всегда противодействующей уменьшению толщины пленки и уравновешиваемой внешними силами [1, 13]. В результате, по обратной (электроимпульсной) схеме можно получить достаточно высокую производительность, но толщина измененного слоя будет превышать высоту микронеровностей в несколько раз (до 0,4 мм у сталей). Таким образом, данную схему можно применять только на черновых операциях при обработке деталей запорных устройств.
1. Смоленцев, Е. В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки. М. Машиностроение. 2005. - 511 с.
2. Сулима, A. M. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов / A. M. Сулима, М. И. Евстигнеев. М. : Машиностроение, 1974.
3. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2 т. / Под ред. В. П. Смоленцева. М : Высшая школа, 1983.
4. Абляз, Т. Р. Изучение изменения свойств электродов в зависимости от режимов проволочно-вырезной электроэрозионнной обработки // Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. - 2011. - Т. 13. - № 1. - С. 87-93.
5. Абляз, T. P. Применение электродов-инструментов с покрытием для электроэрозиоиной обработки стали 38Х2Н2МА / T. P. Абляз, E. C. Шлыков, С. С. Кремлев // СТИН. - 2017. - № 5. - С. 20 -21.
6. Комбинированные методы обработки / В. П. Смоленцев, А. И. Болдырев, А. В. Кузовкин, Г. П. Смоленцев, А. И. Часовских. Воронеж : ВГТУ, 1996. - 168 с.
7. Смоленцев, В. П. Влияние электрохимической размерной обработки на физико-механические характеристики металлов // Электрохимическая обработка металлов. Сб. науч. тр. Кишинев: "Штиинца", 1972.
8. Справочник технолога (справочное издание) / под. ред. Суслова А. Г. // М. : Инновационное машиностроение, 2019. - 800 с.
9. Состояние и перспективы развития комбинированных методов обработки / Смоленцев В. П., Смоленцев Е. В. // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. 2017. - № 2 (41). - С. 5-9.
10. Абляз, Т. Н Эмпирическое моделирование межэлектродного при электроэрозионной обработке стали 38Х2Н2МА / Т. Н. Абляз, Е. С. Шлыков, Д. А. Борисов, А. А. Шумков, И. Ю. Лeтягин// Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2017. - Т. 19. - № 2. - С. 67-79.
11. Куц, В. В. Исследование процесса получения отверстий полым электродом на модернизированном электроэрозионном станке ЧПУ / В. В. Куц, М. С. Разумов, Д. А. Зубков, А. С. Бышкин, А. А. Неструев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. - № 3. - С. 395-402.
12. Science-based technologies creation based on combined processing methods for fabrication aerospace filters / A. Yu. Ryazantsev, A. А. Shirokozhukhova, V. G. Gritsyuk// Materials Today: Proceedings, 19 (2019), 2065-2067. DOI :https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.075.
13. Innovative Methods For Obtainig Artificial Roughness On The Surfaces Of Heat-Loaded Parts Of The Liquid Rocket Engines Combustion Chamber / A. Yu. Ryazantsev, A. А. Shirokozhukhova, Yukhnevich S. S. // AIP Conference Proceedings 2318, 030004 (2021) ; https://doi.org/10.1063/5.0035987.
14. Micro electrical discharge machining single discharge temperature field simulation / Z. L. Peng, Y. N. Li, D. Fang, Y. Y. Zhang. - USA : JCPRC5, 2013. - P. 859-864.
15. Jiajing Tang, Xiaodong Yang. A Thermo-hydraulic Modeling for the Formation Process of the Discharge Crater in EDM // 18th CIRP Conference ISEM XVIII. - 2016. - № 42. - P. 685-690.
16. Obara Н. Detection of Discharging Position on WEDM // Proceedings of 10th ISEM, 1992. - p. 404-409.
17. Umang Maradia. Meso-Micro EDM : diss. Dr. sc. ETH Zurich №. 22024. - Zurich, 2014. - 246 p.
18. Matthias Hackert-Oschatzchen. Single Discharge Simulations of Needle Pulses for Electrothermal Ablation. - Rotterdam : COMSOL Conference, 2013. - P. 1-5.
19. Weingartner E., Kuster F., Wegener K. Modeling and simulation of electrical discharge machining // 1st CIRP Global Web Conference. - 2012. - № 2. - P. 74-78.
20. Chander Parkash Khatter Analysis of surface integrity in electrical discharge machining (EDM) process for tungsten carbide material : dis. Ph. D. - Patiala, India, 2010.
