CC BY
20УДК 621.03:534
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО
УЛЬТРАЗВУКОВОГО СТАНКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ И ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ ИЗДЕЛИЯ РКТ
А. И. Опальницкий12, Д. В. Демидов2
1 Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) Российская Федерация, г. Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38. E-mail: [email protected] .
2ФГУП «Научно-производственное объединение «Техномаш» Российская Федерация, 127018, г. Москва, 3-й проезд Марьиной Рощи, д. 40 E-mail: [email protected].
Представлено экспериментальное и экономическое обоснование создания высокоэффективного ультразвукового станка для обработки хрупких и композиционных материалов. Проведен анализ имеющихся на сегодняшний день технологий в области ультразвуковой размерной обработки, изготовлен образец установки и проводятся экспериментальные исследования по определению оптимальных параметров режима. Рассчитана экономическая эффективность применения метода ультразвуковой размерной обработки для получения отверстий в детали вкладыш датчика давления из керамики ВК-94. В конце работы сделаны выводы.
Ключевые слова: ультразвуковая размерная обработка (УЗРО), композиционные материалы, алмазный инструмент, абразивные зерна, ультразвуковой станок.
EXPERIMENTAL BASIS CREATION OF HIGHLY ULTRASONIC MACHINE FOR PROCESSING OF COMPOSITE AND BRITTLE MATERIALS PRODUCTS RKT
A. I. Opalnitsky1,2, D. V. Demidov2
:Moscow state university of mechanical engineering (MAMI) 38, Bolshaya Semenovskaya str., Moscow, Russian Federation E-mail: [email protected].
2Federal State Unitary Enterprise "Scientific-and-Industrial Association "Technomash" 40, 3rd proezd Marinoy Roshchi, Moscow, 127018, Russian Federation. E-mail: [email protected]
This paper presents an experimental and Feasibility study on developing high-performance ultrasound machine for processing brittle and composite materials. The first part of the analysis of the currently available technologies in the field of ultrasonic machining. The second part of the sample is made installation and experimental studies to determine the optimum parameters. Calculate the cost-effectiveness of the application of the method of ultrasonic machining to produce holes in the part insert a pressure sensor ceramic VC-94. At the end of the conclusions.
Keywords: ultrasonic dimensional processing (UZRO), composite materials, diamond tools, abrasive grains, ultrasonic machine.
Современная ракетно-космическая техника немыслима без новых композиционных материалов. Ультразвуковая размерная обработка таких материалов позволит резко повысить производительность, точность и качество получаемых деталей.
Целью работы является экспериментальное и экономическое обоснование создания высокоэффективного ультразвукового станка для обработки хрупких и композиционных материалов (КМ).
Для получения экспериментального и экономического обоснования создания многокоординатного высокоэффективного станка необходимо:
- провести литературный обзор применения метода ультразвуковой размерной обработки (УЗРО), определить достоинства и недостатки новых разработок;
- сконструировать и изготовить макет ультразвукового станка с системой управления для экспериментальных исследований;
- подготовить и провести серию экспериментальных исследований, показывающих эффективность применения данного метода при обработке хрупких и КМ;
- по результатам проведенных экспериментов подготовить технико-экономическое обоснование (ТЭО) применения метода ультразвуковой размерной обработки;
- представить новую модель многокоординатной ультразвуковой установки для обработки хрупких и КМ.
При разработке средств исследования космического пространства требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температуры и давление, вибрационные
Технология и мехатроника в машиностроении
нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, воздействие микрочастиц и т. д.), имея при этом достаточно низкую массу. Многие из таких материалов легче и прочнее наиболее подходящих по своим физическим свойствам металлических (алюминиевых и титановых) сплавов. Применение композиционных материалов позволяет снизить вес изделия (ракеты, космического корабля) на 10...50 % в зависимости от типа конструкции и, соответственно, сократить расход топлива, повысив при этом надежность.
В настоящее время КМ используют для термозащиты космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления их носовых частей, деталей двигателей, теп-лопроводящих устройств, для энергетических установок и производства активированных углеродных волокон (например, в накопителях электроэнергии, аккумуляторах, батареях, устройствах-модулях по очистке газов, где требуются новые, в частности, то-копроводящие углеродные волокна-сорбенты).
При обработке сверхтвердых и хрупких материалов возникают проблемы, связанные с недостаточной точностью получаемых поверхностей, низкой скоростью обработки и экономической неэффективностью применения различных методов.
Одним из перспективных методов обработки таких материалов является УЗРО. В результате проведенного литературного обзора видно, что имеется мало информации по математическому описанию процесса, не было полностью изучено влияние параметров режима УЗРО на технологические показатели.
Несомненно, в условиях новых технологий отечественное производство УЗ оборудования для размерной обработки серьезно отстало от западных аналогов. Используются настольные станки, модернизированные на основе фрезерного и сверлильного оборудования с низкой производительностью и качеством поверхности. Поэтому разработка нового оборудования для УЗРО с применением новейших систем ЧПУ серьезно повысит технологический уровень нашей страны.
Для проведения экспериментальных исследования был разработан и сконструирован специальный образец установки для УЗРО хрупких и композиционных материалов с ЧПУ. Работа установки регулируется пультом управления, программное обеспечение имеет поддержку в режиме «онлайн» с 3Б-графикой детали и 3Б-симуляцией. В нижней части установки расположен ультразвуковой генератор. Ультразвуковая головка оснащена магнитострикционным преобразователем, головка обеспечивает биение до 0,01 мм и имеет вращение до 6000 мин1. Также образец оснащен поворотным столом, который обеспечивает подачу детали, имеется специальное устройство для вращения детали. Точность позиционирования 0,01 мм. С помощью САМ-системы возможно программировать для обработки достаточно сложные поверхности.
Для определения экспериментальных зависимостей между входными и выходными параметрами УЗРО были проведены серии экспериментов. В качестве образцов для исследования применялись такие
материалы, как керамика ВК-94, астроситалл СО-115, углерод-углеродный материал ЛУКМ. Для сравнения обработка керамики производилась двумя различными методами: алмазной обработкой и УЗРО. Измерения износа инструмента производились на весах Ohaus Pioneer с дискретностью 0,0001 г, микроскопах QC-300 Falcon и Olympus BX 5, амплитуда колебания измерялась на разработанном нами устройстве. В качестве обрабатывающего инструмента применялся алмазный трубчатый инструмент с гальваническим напылением и цельный инструмент с прессованным алмазом.
По результатам проведенных экспериментов были определены оптимальные параметры режима ультразвукового фрезерования и прошивки хрупких и КМ. Определены недостатки алмазного инструмента, которые будут устранены в дальнейшем. Процесс алмазной прошивки в керамике ВК-94 сравнивался с процессом ультразвуковой прошивки. По экспериментальным результатам рассчитано ТЭО применения метода ультразвуковой прошивки, получен экономический эффект.
После проведенного обзора имеющегося на сегодняшний день оборудования, патентных исследований, анализа преимуществ и недостатков новых разработок в области ультразвука, а также экспериментальных исследований и ТЭО, мы пришли к выводу, что для обработки хрупких и КМ необходимо создать новый многокоординатный станок, оснащенный системой ЧПУ. В работе представлена модель будущего многокоординатного станка закрытого типа. На данный момент проведена конструкторская работа по созданию данного оборудования. В станке будет применена инновационная ультразвуковая головка на пьезокерамическом преобразователе с использованием встраиваемого двигателя и специально разработанный генератор. На головку подана заявка на патент.
В заключение продемонстрирована модель будущего станка и сделаны выводы по работе.
Библиографические ссылки
1. Моргунов Ю. А., Панов Д. В., Саушкин Б. П., Саушкин С. Б. Наукоемкие технологии машиностроительного производства: Физико-химические методы и технологии : учеб. пособие / под ред. Б. П. Саушкина. М. : Форум, 2013. 928 с.: ил.
2. Елисеев Ю. С., Саушкин Б. П. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей / под ред. Б. П. Саушкина. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. 456 с.
3. Моргунов Ю. А., Опальницкий А. И., Перепеч-кин А. А. Современное состояние и перспективы применения в отрасли ультразвуковой размерной обработки изделий // Известия МГТУ (МАМИ). 2012. № 2. С. 140-144.
4. Саушкин Б. П., Шандров Б. В., Моргунов Ю. А. Перспективы развития и применения физико-химических методов и технологий в производстве двигателей // Известия МГТУ (МАМИ). 2012. № 2. С. 242-248.
References
1. Morgunov Ju. A., Panov D. V., Saushkin B. P., Saushkin S. B. Naukoemkie tehnologii mashinostroitel'nogo proizvodstva: Fiziko-himicheskie metody i tehnologii : ucheb. posobie / pod red. B. P. Saushkina. M. : Forum, 2013. 928 s.: il.
2. Eliseev Ju. S., Saushkin B. P. Fiziko-himicheskie metody obrabotki v proizvodstve gazoturbinnyh dvigatelej / pod red. B. P. Saushkina. M. : Izd-vo MGTU im. N. Je. Baumana, 2010. 456 s.
3. Morgunov Ju. A., Opal'nickij A. I., Perepechkin A. A. Sovremennoe sostojanie i perspektivy primenenija v otrasli ul'trazvukovoj razmernoj obrabotki izdelij // Izvestija MGTU (MAMI). 2012. № 2. S. 140-144.
4. Saushkin B. P., Shandrov B. V., Morgunov Ju. A. Perspektivy razvitija i primenenija fiziko-himicheskih metodov i tehnologij v proizvodstve dvigatelej // Izvestija MGTU (MAMI). 2012. № 2. S. 242-248.
© Опальницкий А. И., Демидов Д. В., 2014
УДК 621.791.72
АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКОЙ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
Т. Г. Орешенко, М. Ю. Морозов
ОАО «Красноярский машиностроительный завод» Российская Федерация, 660123, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29
E-mail: [email protected]
Описаны проблемы электронно-лучевой сварки в атмосфере изделий из разнородных металлов. Применение измерительного устройства с феррозондовым датчиком позволяет получать качественные соединения.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, горячие трещины, разнородные металлы.
CONTROL AUTOMATION OF ELECTRON-BEAM WELDING OF DISSIMILAR METALS
T. Oreshenko, M. Morozov
JSC «Krasnoyarsk Machine-Building Plant» 29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation. E-mail: [email protected]
The problems for electron beam welding in atmosphere of dissimilar metals are described. Use of a measuring device with a fluxgate sensor produces high-quality welds.
Keywords: electron-beam welding, hot crack, dissimilar metals.
В целях экономии цветных металлов и в силу конструктивных особенностей часть изделий изготавливают стальными с приваркой частей из других металлов и сплавов - меди, титана, ниобия и других. При этом возникают существенные трудности из-за образования горячих трещин в металле шва. Причем с увеличением содержания меди в аустенитном металле шва более 3 % склонность к образованию горячих трещин возрастает. В этом случае при кристаллизации металла шва медь из-за ограниченной растворимости в стали выделяется по границам зерен, и под действием растягивающих напряжений и расклинивающего эффекта Ребиндера образуются трещины [1], что вызывает концентрацию напряжений и уменьшает износоустойчивость. При этом чаще трещины обнаруживаются на тех образцах, в которых твердость металла шва превышает 300 НУ, а ширина шва превышает 3,0 мм [2]. Для уменьшения вероятности возникновения горячих трещин сварка разнородных металлов, таких как «сталь + медь» должна вестись без применения развертывающих преобразований. Скорость сварки
при этом должна быть максимальной. Кроме того, так как теплопроводность меди в несколько раз больше теплопроводности стали, луч при сварке должен быть смещен от стыка в сторону меди на 0,5 мм для предотвращения перегрева ванны.
Наиболее распространенные на сегодняшний день системы автоматического наведения луча на стык в процессе электронно-лучевой сварки требуют присутствия сканирующих движений луча, что положительно сказывается на качестве получаемых соединений из однородных материалов. Особенно широко применяются системы наведения по вторично-эмиссионному сигналу и рентгеновскому излучению. Работа данных систем основана на детектировании сигнала при сканировании электронным лучом стыка изделия. При сварке в атмосфере конструкция электронно-лучевой пушки не предусматривает поисковых перемещений луча, и, как следствие, при отсутствии перемещений луча указанные системы слежения функционировать не будут. Тем не менее, при сварке разнородных материалов возможно применять систе-
