CC BY
38
УДК 621.795 (621.92.)
А. С. Сысоев, С. К. Сысоев, В. А. Левко, П. А. Снетков, Л. В. Зверинцева
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХОНИНГОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ТРУБОПРОВОДОВ ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Описано исследование процесса хонингования заготовок трубопроводов, имеющих продольную подачу относительно инструмента по всей ее длине, с использованием эластичного инструмента, вибрирующего с частотой до 30 Гц и амплитудой до 2 мм. Шероховатость поверхностей за 10 мин уменьшается с 5...7 мкм до 0,2 мкм.
В летательных аппаратах широко используют трубопроводы для транспортировки жидкости и газа, передачи сверхвысоких частот (СВЧ) миллиметрового диапазона и др. Шероховатость внутренней поверхности заготовок для передающих устройств летательных аппаратов не соответствует растущим требованиям к снижению сопротивления среды и повышению КПД при передаче энергии.
Например, в приборах антенно-фидерных устройств (АФУ) для передачи энергии сверхвысоких частот (СВЧ) применяют волноводы миллиметрового диапазона (ВММД). Одной из основных характеристик приборов АФУ является величина потерь энергии, обусловленной состоянием качества поверхностного слоя токонесущих поверхностей ВММД. Величина потерь непосредственно определяет эффективность передачи энергии и возможность передачи больших и малых мощностей. С уменьшением потерь КПД линии увеличивается. Кроме того, потери в линии СВЧ при передаче средних и высоких мощностей могут привести к разогреву линии. При передаче малых мощностей собственные шумы линии, обусловленные потерями, становятся соизмеримыми с величиной полезного сигнала. Поэтому уменьшение потерь при передаче энергии является одной из основных задач при создании АФУ.
Известно, что СВЧ-токи сосредоточены преимущественно в поверхностном слое проводника, поэтому собственные потери устройств зависят от свойств поверхностного слоя металла проводника, определяемого глубиной проникновения СВЧ-тока. С увеличением частоты тока глубина проникновения СВЧ-тока уменьшается и становится соизмеримой с микронеровностями поверхностного слоя [1]. Потери в приборах АФУ, в частности в волноводах, обусловленные величиной микронеровностей поверхности, являются функцией частоты. Экспериментально установлено, что при высоте микронеровностей, равной глубине проникновения тока, коэффициент затухания возрастает в 1,6 раза [2]. При высоте микронеровностей вдвое больше глубины проникновения он возрастает в 1,8 раза, а при высоте микронеровностей, равной половине глубины проникновения, - в 1,2 раза. Максимальная величина шероховатости поверхности проводника не должна превышать половины глубины проникновения СВЧ-тока. Для эффективной работы АФУ необходимо обеспечить шероховатость внутренних токонесущих поверхностей заготовок R = 0,2...0,4 мкм.
Аналогичное влияние оказывает качество на сопротивление при транспортировке жидкости и газа в системе питания ЛА компонентами поверхностного слоя внут-
ренней поверхности труб. Сопротивление среды уменьшает КПД системы.
Анализ существующих технологических процессов изготовления труб показал, что операции финишной обработки внутренних поверхностей предпочтительно проводить на заготовках труб, причем наиболее сложной является отделка прямоугольных каналов, так как в заготовке невозможно применение вращательного движения инструмента (или заготовки).
Из рассмотренных методов финишной обработки прямоугольного канала: электрохимических и электромеханических, гидро-, пневмо-, турбо-, магнитоабразивного и др., был выбран способ хонингования эластичным притиром с наложением вибрации (ЭЛХОН).
В связи с особенностями конструкции волновода инструмент должен обеспечивать необходимые и равные по величине силы резания вдоль всего обрабатываемого канала.
Рассмотрим условия взаимодействия эластичного притира, наполненного абразивным зерном (АЗ), с поверхностью канала. Принцип резания АЗ аналогичен для всех видов абразивной обработки. Однако в случае применения способа ЭЛХОН можно выделить некоторые особенности.
1. Обработка осуществляется композиционным инструментом, состоящим из эластичного притира, абразивных зерен и основы (носителя абразивных зерен). Обеспечение удовлетворительных показателей обработки основано на стабилизации условий взаимодействия указанных элементов с обрабатываемой поверхностью. Когда АЗ находятся в незакрепленном состоянии, рабочая поверхность притира является основанием для перемещающихся зерен в зазоре между заготовкой и притиром. Взаимодействие притира с обрабатываемой поверхностью заготовки через абразивную прослойку следует рассматривать как динамическое, осуществляемое при перемещении притира с относительной скоростью 5 под действием внешней силы Рг и нормальной силы Р. Сила сопротивления F движению притира и нормальная сила реакции Р{ является усредненным значением сил взаимодействия притира через отдельные АЗ и неабразивную часть прослойки с заготовкой. Постоянство во времени силы F, направленной по касательной к поверхности заготовки навстречу скорости V, будет свидетельствовать о стабильности процесса доводки. Если сила F постоянна, то будет неизменной усредненная сила Р , которая возникает от действия упругих напряжений s, развивающихся в результате внедрения отдельного АЗ в материал притира, и зависит от величины предварительного
натяга, с которым притир входит в деталь. Следовательно, от точности изготовления размеров инструмента в полной мере зависит стабильность процесса резания металла. На участках взаимодействия поверхностей возможно интенсивное изменение размеров не только материала заготовки, но и инструмента.
2. Процесс доводки обычно осуществляется с различной скоростью движения притира V, причем съем металла повышается с ее увеличением [3]. При доводке незакрепленными АЗ его воздействие на обрабатываемую поверхность носит случайный динамический характер. Это приводит к образованию в материале поверхностного слоя нестабильного переменного напряженного состояния. Движение АЗ с переменной скоростью приводит к изменению скорости деформации и, следовательно, к неравномерному распределению деформаций и напряжений в локальных микрообъемах поверхностных слоев контактирующих тел. Характер разрушения поверхностного слоя определяется уровнем этих напряжений и физико-химическими свойствами материалов.
3. Процесс доводки незакрепленными абразивными зернами характеризуется различной степенью подвижности зерен, находящихся в прослойке между притиром и заготовкой. Абразивное зерно в зоне контакта может находиться в свободном, полузакрепленном и закрепленном состоянии. Соответственно меняется и характер взаимодействия микровыступов единичного зерна с обрабатываемой поверхностью. Процесс взаимодействия незакрепленного АЗ с поверхностью заготовки может происходить в результате соударения АЗ с обрабатываемой поверхностью. В некоторых случаях это результат вибрационно-ударного воздействия притира на АЗ в нормальном и касательном направлениях при мгновенном закреплении их в притире [4].
В общем случае при резании отдельным АЗ возможны несколько видов контакта с обрабатываемой поверхностью в условиях упругого и пластического деформирования, микрорезания при непрерывном и прерывистом контакте с поверхностью заготовки, а также микро-ударного выкалывания. Для увеличения производительности обработки предпочтительнее непрерывный контакт острых граней АЗ с поверхностью канала заготовки.
Для выбора конструкции инструмента нами проведен патентно-технический поиск, который позволил разработать новую конструкцию инструмента (рис. 1) [5]. Фаски на притире облегчают ввод инструмента в обрабатываемый канал. Изготовление инструмента с требуемой точностью ± 0,05 мм механическими способами затруднено из-за низкой обрабатываемости полиуретана.
Для изготовления эластичных притиров разработана технология отливки эластичного инструмента в специальную форму, имитирующую форму сечения обрабатываемого канала. После смешения расплавленного жидкого каучука СКУ ПФЛ с порошкообразным диаметом-Х и выдержке при температуре 130 °С в форме в течение 30...45 мин происходит вулканизация компонентов с образованием полиуретана.
Нами предложен способ обработки каналов, в соответствие с которым изготавливают притир с канавками на его наружной поверхности, создают возвратно-посту-
пательное движение заготовке и введенному в ее отверстие притиру и подают абразив на поверхность притира на его входе в отверстие заготовки, отличающееся тем, что притир берут из эластичного материала и придают ему дополнительную осевую вибрацию. При этом размер притира определяют по формуле
Ъ=g/Е (1 - Ц) (1)
где Rпp.- размер притира в г-м направлении; R3.- размер канала заготовки в г-м направлении; g - требуемое давление притира на обрабатываемую поверхность.
а ( -----)-
6 ( /////////////////А
в ДШШШ&
Рис. 1. Конструкции эластичных инструментов:
а - без пазов; б - с наклонными пазами; в - с прямыми пазами; г - с выступами; д - суставчатая; е - с синусоидальными пазами
При обработке на инструмент передаются вибрационные колебания с заданной частотой, а заготовка совершает возвратно-поступательное перемещение вдоль инструмента.
Для притирки поверхности необходимо создать удельное давление ~ 0,8 Н/мм2 [4]. При вводе эластичного инструмента в канал с определенным натягом возникают нормальные напряжения о. Возникающие при перемещении инструмента касательные напряжения т будут существенно влиять на процесс обработки при больших значениях подач 5 .
Главные линейные деформации (относительное удлинение в направлении действия главных напряжений по осям X, У, Z) рассчитывают по условию е1 = 1/Е [ о1 - ц (о2 + о3)],
е2 = 1/Е [о2 - Ц (О3 + оД (2)
е3 = 1/Е [о3 - ц (о1 + о2)],
где е1, е2, £3 - относительные удлинения по осям X, У, 2 соответственно; Ц - коэффициент Пуансона материала; Е - модуль Юнга. Для полиуретана ц = 0,4; Е = 3,43 Н/мм2.
Для того чтобы получить требуемое удельное давление, необходимо создать натяг в зоне контакта «инструмент -поверхность заготовки», равный величине £. Давление вызовет нормальное напряжение о. В нашем случае е = 0, так как продольные статические силы по оси X, приложенные к инструменту, имеют малые величины по сравнению с силами, возникающими в направлении осей У и 2.
Схема обработки способом ЭЛХОН представлена на рис. 2. Инструмент 1 с нанесенными поперечными ка-
навками 2 закреплен на проволочной основе 3. При введении инструмента в обрабатываемое отверстие заготовки 4 требуемое давление притира на обрабатываемую поверхность достигается за счет увеличения размера инструмента по сравнению с размером канала на величину, рассчитываемую по соотношениям
А = А (1+ К. - ^
в» = в (1+ЯР1 - ^ (3)
где Rпp. - R3. - относительная деформация инструмента в обрабатываемом отверстии; А, В - размеры прямоугольного канала; А», В» - соответствующие размеры инструмента.
3 1 2 А
Рис. 2. Схема обработки эластичным инструментом с наложением вибраций: 1 - эластичный инструмент; 2 - абразивная паста; 3 - водило; 4 - заготовка
Основными факторами, влияющими на качество поверхностного слоя являются продолжительность процесса доводки t, величина абразивного зерна В,, содержание его в пасте К, амплитуда А и частота вибрации И притира, размеры инструмента А» и В», а также скорость возвратно-поступательного движения заготовки относительно притира 5пр.
Экспериментальные работы были проведены на лабораторной установке для вибрационной обработки, созданной на базе вертикально-сверлильного станка НС- 12А с устройством системы вибрации инструмента и возвратнопоступательного движения приспособления-имитатора.
А-А
Рис. 3. Приспособление-имитатор канала в заготовке:
1, 3 - верхний и нижний корпуса; 2 - образец
Корпус приспособления состоит из обоймы с крышкой (рис. 3), между которыми зажимают съемный образец 2 в виде угольника. В сборке канал крышки 1 и образец 2 имитируют прямоугольный канал с сечением
1,8х3,6 мм и длиной 80 мм. Площадь поперечного сечения 6,48 мм2. Величина исходной шероховатости канала волновода R = 1,6...1,7 мкм, требуемая шероховатость R = 0,2...0,32 мкм.
а ’ ’
В прямоугольном канале волновода эластичный инструмент имеет возможность совершать колебания с амплитудой А = 2...4 мм и частотой вибрации И = 20...30 Гц. Волновод перемещается относительно инструмента возвратно-поступательно с постоянной скоростью 5 . В зону обработки непрерывно подают абразивную пасту.
Притир выполнен из полиуретана на проволочной основе с пазами по рабочей поверхности (рис. 1, б).
Для установления величины максимально возможного давления g, которое зависит от величин А и В - соответствующих размеров инструмента, были рассчитаны по соотношениям (2) и (3), изготовлены и опробованы притиры с различными размерами А» и В».
Для создания удельного давления инструмента на обрабатываемую поверхность g = 0,6 Н/мм2 изготовлен инструмент сечением 1,9х3,9 мм, для давления g = 1,0 Н/ мм2 - сечением 2,1х4,3 мм. При размерах, превышающих сечение 2,1х4,3 мм, значительно снижалась скорость 5пр, и это приводило к увеличению шероховатости поверхности при обработке.
Ь
Рис. 4. Схема разметки участков для измерения параметров образца
Для доводки деталей из цветных металлов применяют электрокорунд белый. Зернистость применяемого АЗ должна быть на два порядка выше требуемой шероховатости обработанной поверхности, поэтому в в экспериментах применен микрошлифпорошок - электрокорунд белый марки 23А зернистостью В = 28 мкм. В качестве носителя абразивных зерен использован ЦИАТИМ-201 ГОСТ 6267-74.
Серия предварительных экспериментов позволила определить состав абразивной пасты: электрикорунд 23А - 66 %, ЦИАТИМ-201 - 34 %. Полученное процентное соотношение соответствует рекомендуемым значениям [4] по доводке деталей из цветных металлов и сплавов. Как показали предварительные исследования, величина снимаемого слоя изменяется в большей степени с увеличением частоты колебания И, чем величины амплитуды А. Скорость перемещения инструмента в обрабатываемой заготовке 5^ составляла приблизительно 0,01 м/с. Лучшие значения по качеству обработанной поверхности были достигнуты при вибрации с амплитудой А = 2 мм и частотой И = 24 Гц.
Для установления зависимости шероховатости обработанной поверхности R и величины съема металла А^ от частоты вибрации И и давления инструмента на обрабатываемую поверхность g были выполнены эксперименты с планированием по плану Коно-23 с двумя варьируемыми факторами (И и g). Уровни варьирования факторов приведены в табл. 1. Значения уровней выбирались таким образом, чтобы получить зависимости в предварительно выбранных областях значений факторов.
3
• 1=1 а • і=і Ь С 1= ■
Все опыты проводились при постоянном времени обработки г = 10 мин. Для каждого уровня варьирования факторов было проведено шесть опытов, обобщенные результаты которых приведены в табл. 2 и 3. Измерение шероховатости проводилось на профилометре модели 253 на участках а, Ь, с согласно разметке по основной и боковой поверхности образцов. Величина съема материла Дh оценивалась по изменению глубины реперных точек 1, 2 и 3 (рис. 4). Для оценки равномерности обработки по длине канала проводилось измерение параметров Ra и ДН на этих же участках.
В результате математической обработки результатов экспериментов получены эмпирические зависимости шероховатости обработанной поверхности R (в трех зонах (а, Ь, с) для боковой и основной поверхности образца), величины съема металла ДН от частоты вибрации инструмента И и величины удельного давления инструмента g на обрабатываемую поверхность (в трех реперных точках (1, 2, 3)).
Приведем некоторые эмпирические зависимости для одного из сечений:
Ra = 6,199 - 0,196И - 0,785g + 0,003И2 ,
ДН = -158,88 - 0,352И + 183& (4)
Ra = -2,415 + 0,049И - 0,292g + 0,0003И2,
ДН = -177,32 + 0,031И + 172,9^
Остальные уравнения имеют аналогичный вид.
По анализу уравнений (4) установлено, что превалирующее влияние на шероховатость поверхности имеют как частота вибрации И, так и удельное давление g, а на съем металла с поверхности - удельное давление g.
Обобщенные результаты опытов (для боковой и основной поверхностей) отображены на графиках рис. 5 и 6.
Анализируя полученные зависимости и опыт при обработке прямоугольных каналов, можно отметить, что выбранный состав абразивной пасты обеспечивает достаточную производительность обработки.
Требуемая величина шероховатости поверхности R = 0,2 мкм достигнута по всей длине как основной, так и боковой поверхностей при обработке с частотой вибрации инструмента И = 26.. .28 Гц, амплитудой вибрации А = 2 мм и удельном давлении притира на обрабатываемую поверхность g = 0,8...1,0 МПа.
Увеличение удельного давления g на обрабатываемую поверхность имеет прямую зависимость от величины натяга, с которым инструмент вводится в обрабатывае-
Таблица 1
кторов по плану Коно-23
Уровни варьирования Частота вибрации, Х, (И), Г ц Давление притира Х2 (£) , МПа
Верхний, Х(+) 30 1,0
Основной, Х(0) 27 0,8
Нижний, Х( 24 0,6
Шаг варьирования 3 0,2
Таблица 2
Результаты измерения шероховатости Ла и глубины удаленного слоя dh по основной поверхности канала
х2 R а, мкм, в зонах К , dh, мкм в точках ёИ,
а Ь с мкм 1 2 3 мкм
-1 -1 0,26 0,26 0,24 0,25 9 9 9 9
-1 0 0,21 0,23 0,21 0,23 16 16 16 16
-1 1 0,18 0,20 0,18 0,19 24 24 24 24
0 -1 0,29 0,24 0,24 0,25 17 14 12 15
0 0 0,24 0,21 0,20 0,22 24 22 20 22
0 1 0,19 0,18 0,16 0,18 32 29 28 30
1 -1 0,30 0,27 0,27 0,28 21 21 20 21
1 0 0,25 0,24 0,24 0,24 29 28 28 28
1 1 0,21 0,21 0,21 0,21 32 36 35 36
Таблица 3
Результаты измерения шероховатости Л и глубины уцаленного слоя dh по боковой поверхности канала
Х, Х2 Ra, мкм, в зонах: К , dh, мкм в точках ёИ,
а Ь с мкм 1 2 3 мкм
-1 -1 0,19 0,19 0,20 0,19 8 7 8 8
-1 0 0,18 0,19 0,18 0,18 15 14 15 15
-1 1 0,19 0,17 0,17 0,17 22 22 22 22
0 -1 0,20 0,24 0,21 0,21 14 12 15 14
0 0 0,19 0,23 0,20 0,20 21 20 21 21
0 1 0,23 0,25 0,20 0,22 21 20 21 21
1 -1 0,22 0,24 0,19 0,21 29 27 28 28
1 0 0,19 0,22 0,19 0,19 29 27 28 28
1 1 0,22 0,23 0,18 0,20 36 34 35 35
мый канал. При этом возрастает степень закрепления АЗ при обработке, так как увеличивается сила резания Р.
Рис. 5. Графики зависимости шероховатости поверхностей Ra по основной (а) и боковой (б) поверхностям от частоты вибрации инструмента w при удельных давлениях g, МПа
25 26 27 28 29 30
Рис. 6. Графики зависимости глубины удаленного слоя dh от частоты вибрации инструмента при удельных давлениях g, МПа
Вторая составляющая силы резания Ру зависит от скорости возвратно-поступательного движения заготовки 5 , а также от частоты И и амплитуды А вибрации инструмента. Скорость 5 невелика, и ее влияние на обработку по сравнению с влиянием наложенной вибрации мало. Возвратно-поступательное движение обеспечивает подачу абразивной пасты, наносимой в пазы инструмента, вдоль всей обрабатываемой поверхности, а также удаление продуктов обработки из канала.
Удельное давление g оказывает большее влияние на процесс доводки, чем накладываемая вибрация. Это определяет повышенные требования к точности изготовления инструмента.
Величина съема металла при обработке составила
0,02...0,03 мм, и это значительно меньше допуска на ли-
нейные размеры внутреннего прямоугольного канала (0,1 мм).
В пределах участка поверхности, где работает притир, действует единый механизм удаления материала, воспроизводится однородная шероховатость поверхности, создается определенная структура и напряженное состояние поверхностного слоя заготовки, обеспечивается постоянство формы изношенной поверхности. Чтобы добиться такой однородной поверхности по всей длине внутренней поверхности канала, следует периодически наносить новые порции абразивной пасты либо постоянно перемещать притир на новые участки обрабатываемой поверхности.
Качество поверхности формируется в основном на последних стадиях доводки. Поэтому для обеспечения высокого качества поверхностного слоя необходимо изменять зернистость абразива в процессе отделки до 3.4 мкм. Как только снимаются гребешки шероховатости поверхности (этот момент следует определить экспериментально), необходимо уменьшать как усилие прижима АЗ за счет снижения натяга эластичного инструмента, входящего в заготовку, так и величину АЗ и его твердость.
Съем металла с поверхности происходит, как правило, за счет массового микрорезания - царапания микровыступами АЗ при закреплении их в материале притира.
Предложенная конструкция инструмента работоспособна, а разработанная технология изготовления инструмента путем отливки из полиуретана с заданной точностью (0,05 мм) обеспечивает натяги для создания удельного давления на стенки заготовки при использовании метода ЭЛХОН. Разработаны рекомендации по созданию технологического процесса абразивной обработки внутренних прямоугольных каналов эластичным инструментом с наложением вибрации.
Библиографический список
1. Байгурин, А. С. Расчет, конструирование и изготовление волноводных устройств и объемных резонаторов / А. С. Байгурин. М.: ГЭИ, 1963. 320 с.
2. Хорвейт, А. Ф. Техника сверхвысоких частот / А. Ф. Хорвейт. М.: Сов. радио, 1965. С. 18-20.
3. Раховский, Р. Я. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме / Р. Я. Раховский. М.: Наука, 1970. 276 с.
4. Орлов, П. Н. Технологическое обеспечение качества деталей методами доводки / П. Н. Орлов. Л.: Машиностроение. Ленигр. от-ние, 1988. 384 с.
5. Пат. 2039637 РФ, С1, 6 В24В. 37 /02. Способ абразивной обработки отверстий / С. К. Сысоев, Д. Б. Скороде-лов, В. А. Левко. Опубл. 20.07.95. Бюл. № 20.
A. S. Sysoev, S. K. Sysoev, V. A. Levko, P. A. Snetkov, L. V. Zverintseva
RESEARCH OF THE PROCESS OF THE HONING STOKING UP PINELINES FOR AIRCRAFT
In clause researches ofprocess of honing preparations with use of the elastic tool vibrating with frequency up to 30 Hz and amplitude up to 2 mm are described, and preparation has longitudinal submission concerning the tool on all to its length. The roughness of surfaces decreases with 5...7 microns up to 0,2 microns for 10 mines.
