CC BY
4
Машиностроение и машиноведение
DOI 10.36622/VSTU.2021.17.6.015 УДК 621.9.047; 621.9.048
КОМБИНИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ В ТВЕРДЫХ
ЭЛЕКТРОЛИТАХ
В.П. Смоленцев, А.А. Извеков Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассмотрены вопросы изготовления открытых и полуоткрытых полостей в труднообрабатываемых деталях путем использования твердого электролита, наносимого на заготовку перед установкой удаляемой вставки. Показаны особенности протекания процесса анодного растворения припуска при статическом состоянии рабочей среды. Такие исследования выполнены впервые. Разработаны и проверены на практике изготовления типовых деталей режимы обработки для реализации процесса. Показано, что твердые электролиты имеют перспективы для дальнейшего использования при проектировании технологических процессов изготовления сложнопрофильных изделий из металлических труднообрабатываемых материалов, в том числе внедряемых на создаваемых образцах ракетно-космической техники. Они расширяют технологические возможности комбинированных методов, в которых одним из воздействующих факторов является электрическое и электромагнитное поле с высокой концентрацией мощности в импульсе. Впервые достигнута возможность разделять сборочные единицы путем образования зазора между сопрягаемыми деталями без доступа в зону обработки жидкой рабочей среды, определяющей возможность локального съема припуска в месте сопряжения и удаления слоя материала, достаточного для разборки узлов. Заложены основы использования для нанесения твердого электролита аддитивных технологий путем наращивания равномерных слоев перед сборкой изделия. Предлагаемая технология перспективна для изготовления сборных конструкций с ограниченным доступом инструмента в зону выполнения операции. Кроме того, новая технология может успешно применяться в процессе ремонта машин
Ключевые слова: технология, твердый электролит, анодный процесс, область применения
Введение
При использовании комбинированных методов обработки с анодным растворением припуска требуется обоснованно подвести то-копроводящую жидкую среду в зону протекания процесса. В ряде случаев, особенно в случае применения жидкого электролита, это затруднительно или невозможно из-за ограниченного доступа инструмента к месту обработки. При малых объемах снимаемого материала количество используемого для прохождения реакции жидкой составляющей незначительно, что позволяет применять неподвижный твердый электролит.
Область использования комбинированных методов обработки с твердым электролитом
В приборостроении и авиакосмическом машиностроении имеется большое количество деталей и узлов, изготавливаемых с помощью технологической оснастки, удаляемой из детали до ее окончательной обработки. При этом требуется создать между контактирующими
поверхностями минимальные зазоры, достаточные для рассоединения элементов оснастки и детали. На рис. 1 приведены типовые детали, выполняемые с использованием закладных частей, где экономически обосновано применение комбинированной обработки с использованием твердого электролита.
На рис. 1а показаны спирали из тонкой проволоки, навитые в форме винтовой линии. Такие детали используются в световых приборах, например, в лампах накаливания, указателях, индикаторах, проволочных электрических сопротивлениях и для других деталей.
Подобные изделия (рис. 1б) применяются в системах охлаждения, где требуется через змеевик пропустить охладитель.
В авиастроении при изготовлении штампованных охлаждаемых лопаток (рис. 1в) применяют металлические вставки, которые затем вытравливают.
© Смоленцев В.П., Извеков А.А., 2021
=)
Рис. 1. Типовые детали для комбинированной обработки с использованием твердого наполнителя: а) проволочная спираль для световых приборов; б) змеевик системы
охлаждения; в) охлаждаемая лопатка турбины
Такая технология описана в [1], где рассмотрены варианты одноканального и многоканального охлаждения с использованием дефлектора, устанавливаемого на место вставки после ее удаления. Иногда охлаждаемые лопатки выполняют путем сварки пустотелого пера с замком. Тогда проблема удаления вставки значительно упрощается, т.к. имеется открытый участок лопатки для извлечения дефлектора. Однако сам процесс вытравливания в концентрированных щелочах [1] опасен для здоровья исполнителей и вызывает растравливание металла детали, что нарушает ее качество при эксплуатации. Поэтому требуется разработка процесса удаления вставки, при котором не имеется негативных явлений. К таким условиям можно отнести комбинированную обработку с анодным растворением вставки в твердом электролите. Изменение размера вставки легко компенсировать напылением ее металлическим материалом.
Схемы обработки типовых деталей с твердым электролитом
Для типовых деталей, приведенных на рис. 1, могут использоваться технологические схемы, показанные на рис. 2.
3
а>
6)
Рис. 2. Схемы обработки с твердым электролитом:
а) удаление металлической вставки из спирали; б) удаление металлической вставки из охлаждаемой лопатки; 1 - деталь, 2 - твердый электролит,
3 - металлическая ставка, 4 - форсунка, 5 - жидкость, + - токоподвод к вставке (анод), - - токоподвод к детали (катод)
Для спиральных деталей (рис. 1,а,б) применяют металлические вставки 3, на которые предварительно наносят слой твердого электролита 2, например, из растворимого в воде хлористого натрия или солей серебра [2, 3] (рис. 2,а). Здесь спираль подключают к отрицательному полюсу низковольтного источника тока, а деталь является анодом. Для повышения производительности анодного растворения вставки 3 в место растворения припуска через форсунку 4 подают воду 5. С целью защиты установки от коротких замыканий вставку 3 перед обработкой деталь 1 закрепляют за свободный конец так, чтобы ее колебания в процессе обработки не превышали величины межэлектродного зазора.
Аналогичная схема обработки применяется для образования в охлаждаемой лопатке зазора между деталью и вставкой (рис. 2,в), где доступ жидкости к твердому электролиту затруднен. Применение впрыска воды, как это используется в схеме «а» (рис. 2), не достигает требуемого результата, но даже без этого по предлагаемой схеме удается обеспечить получение зазора, достаточного для удаления вставки.
В [1] показана возможность штамповать охлаждаемые лопатки с образованием системы каналов внутри лопатки, где удаляемые вставки
представляют из себя (рис. 3) стержни с покрытием серебром и твердым электролитом (обычно на базе серебра).
з
Рис. 3. Схема обработки охлаждаемых лопаток с многоканальными трактами для охладителя: 1 - заготовка лопатки, 2 - вставка, 3 - слой серебра, 4 - твердый электролит
Перед установкой в заготовку 1 вставку 2 покрывают слоем серебра 3 на толщину 30-60 мкм. Покрытие на толщину менее 30 мкм может привести к нарушению равномерности покрытия после окончательной обработки. Слой серебра будет чередоваться с выступами материала вставки, что приведет к невозможности или затруднит удаление заполнителя после растворения слоя серебра. Покрытие вставки на толщину более 60 мкм приводит к увеличению времени обработки на 30-40%. На слой серебра 3 наносят твердый электролит 4 на толщину 1050 мкм. Нанесение твердого электролита на толщину менее 10 мкм может привести к нарушению сплошности твердого электролита, пробою межэлектродного промежутка. Толщина слоя 10-50 мкм обеспечивает устойчивое растворение слоя серебра, стабильное протекание процесса. Покрытие твердым электролитом на толщину более 50 мкм увеличивает время обработки на 10-20%.
В качестве твердого электролита может быть использован электролит, имеющий состав RbAg4I5. Этот электролит обладает высокой адгезией к серебру, что будет способствовать механической прочности вставки и покрытия. Подключение вставки, установленной в заго-
товку, к положительному полюсу источника питания, а самой заготовки лопатки - к отрицательному, обеспечивает протекание процесса анодного растворения слоя серебра. После его растворения вставка свободно удаляется из отверстия. Использование в качестве катода самой заготовки исключает травление металла, из которого она выполнена, что повышает точность и сохранение формы канала.
В качестве примера рассмотрена обработка 10 отверстий в лопатке по предлагаемому способу. Она проходит под током при напряжении 10-12В. На вставку подают положительный, а на лопатку - отрицательный потенциалы от источника постоянного или импульсного тока. Время растворения слоя серебра толщиной 40 мкм при толщине твердого электролита 30 мкм составляет 45-50 минут. Затем вставку удаляют из заготовки и приступают к контролю каналов.
Заключение
Впервые рассмотрена возможность использования твердого электролита при комбинированной обработке с применением анодного растворения для удаления металлических технологических вставок без использования токсичных рабочих сред. Применение нового способа позволило получить качественные детали при минимальной трудоемкости операции и улучшить условия труда при изготовлении наукоемких изделий в различных отраслях машиностроения.
Литература
1. Изготовление основных деталей и узлов авиадвигателей/ М.И. Евстигнеев, И.А. Морозов, А.В. Подзей, А.М. Сулима, И.С. Цуканов. М.: Машиностроение, 1972. 448 с.
2. Гусейнов Р.М., Кукоз Ф.И. Электронные процессы в твердых электролитах. Ростов: Изд. Ростовского государственного университета, 1986. 128 с.
3. Кукоз Ф.И., Труша Ф.Ф., Кондратенкова В.И. Тепловые химические источники тока. Ростов: Изд. Ростовского государственного университета, 1988. 196 с.
Поступила 14.10.2021; принята к публикации 17.12.2021 Информация об авторах
Смоленцев Владислав Павлович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006 Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел.: 89036559970, e-mail: vsmolen@inbox.ru.
Извеков Александр Андреевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394006 Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел.: 89038544706, e-mail: vmzizvekov@gmail.com
COMBINED TECHNOLOGIES FOR MANUFACTURING PARTS IN SOLID ELECTROLYTES
V.P. Smolentsev, A.A. Izvekov Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: we considered the issues of manufacturing open and semi-open cavities in difficult-to-machine parts by using solid electrolyte applied to the workpiece before installing the removable insert. We show the features of the process of anodic dissolution of the allowance at a static state of the working medium. Such studies have been performed for the first time. We developed and tested in practice the processing modes for the implementation of the process for the manufacture of standard parts. We show that solid electrolytes have prospects for further use in the design of technological processes for the manufacture of complex-profile products from metal hard-to-machine materials, including those introduced on the created samples of rocket and space technology. They expand the technological capabilities of combined methods, in which one of the influencing factors is an electric and electromagnetic field with a high concentration of power in a pulse. For the first time, the ability to separate assembly units by forming a gap between mating parts without access to the processing zone of a liquid working medium has been achieved, which determines the possibility of local removal of the allowance at the mating point and removal of a layer of material sufficient for disassembling the units. We laid the foundations for the use of additive technologies for applying solid electrolyte by building up uniform layers before assembling the product. The proposed technology is promising for the manufacture of prefabricated structures with limited tool access to the operation area. In addition, the new technology can be successfully applied in the process of car repair
Key words: technology, solid electrolyte, anodic process, application area
References
1. Evstigneev M.I., Morozov I.A., Podzey A.V., Sulima A.M., Tsukanov I.S. "Production of the main parts and assemblies of aircraft engines" ("Izgotovlenie osnovnykh detaley i uzlov aviadvigateley"), Moscow: Masinostroenie, 1972, 448 p.
2. Guseynov R.M., Kukoz F.I. "Electronic processes in solid electrolytes" ("Elektronnye protsessy v tverdykh elektrolitakh"), Rostov State University, 1986, 128 p.
3. Kukoz F.I., Trusha F. F., Kondratenkova V.I. "Thermal chemical sources of current" ("Teplovye khimicheskie istochniki toka"), Rostov State University, 1988, 196 p.
Submitted 14.10.2021; revised 17.12.2021 Information about the authors
Vladislav P. Smolentsev, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: vsmolen@inbox.ru, tel. +79036559970
Aleksandr A. Izvekov, graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: vmzizvekov@gmail.com, tel. +79038544706
