Механизм формирования геометрии переходных участков при комбинированной обработке Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9.047

МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕОМЕТРИИ ПЕРЕХОДНЫХ УЧАСТКОВ ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКЕ

О.Н. Кириллов, В.П. Смоленцев, В.И. Котуков

В статье рассмотрен процесс получения плавных сопряжений элементов деталей, изготавливаемых с применением гидроабразивного метода в токопроводящей жидкой среде при действии внешнего электрического поля. Показаны возможности разработанного комбинированного метода для чистовой обработки профиля пера лопаток авиационных и ракетных двигателей.

Проблема получения с заданной точностью окончательного профиля сопрягаемых участков поверхностей решена путем использования комбинированной струйной гидроабразивной обработки с анодным удалением с поверхности разделения припуска, достаточного для снятия шаржированного слоя. Из теории электрохимической размерной обработки известно, что скорость съема материала анодным растворением будет выше на концентраторах поля, которыми являются микронеровности, поэтому наложение электрического поля способствует также снижению шероховатости. Одновременно происходит удаление продуктов обработки и восстановление режущих свойств абразива. Это приводит к стабилизации процесса разделения металла, повышает качество обработанной поверхности, производительность, увеличивает срок службы инструмента, дает возможность значительного снижения себестоимости обработки. Однако полученные ранее результаты не обеспечивают достижения требуемых технологических показателей при чистовой размерной обработке сложнопрофильных поверхностей типа лопаток турбин и компрессоров, турбонасосных агрегатов. Для этого требуется установление закономерностей для управления струей и создание механизма перемещения струи по поверхности зоны обработки, описание которой обычно задано табличным методом последовательным сочетанием точек. При проектировании режимов комбинированной обработки для каждой точки необходимо назначение параметров, учитывающих геометрию обрабатываемого участка детали и положение струи жидкости.

Современные конструкции наукоемкой транспортной техники содержат большое количество элементов, к которым прямой доступ металлорежущего инструмента ограничен. Для их чистовой обработки требуется создание новых технологических способов и устройств, рассматриваемый в статье комбинированный процесс решает эту проблему и значительно расширяет технологические возможности изготовителей перспективной продукции машиностроения

Ключевые слова: гидроабразивная обработка, сопряжение, переходные участки, механизм формообразования Введение

При размерной обработке деталей возникает необходимость формирования точных переходных участков. К ним относятся скругления кромок лопаток газотурбинных двигателей с большими углами закрутки. Применяемые методы изготовления кромок и мест сопряжения лопаток турбонасосных агрегатов весьма трудоемки и нестабильны.

Струйные методы, к которым относится комбинированная гидроабразивная обработка, позволяют перейти от строчечного метода с последовательным формированием отдельных, в основном доступных для инструмента участков детали, к дистанционному формообразованию поверхностей любого профиля, а наличие электрического поля открывает возможность полностью исключить шаржирование и выполнять чистовые операции для деталей с любой геометрией, в

Кириллов Олег Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: kirillov.oUi@yandex.ru Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-903-655-99-70, e-mail: vsmolen@inbox.ru

Котуков Василий Иванович - ВГТУ, аспирант, e-mail: fgupvmz@mail.ru

том числе с участками, скрытыми внутри изделия.

Образование сопряжений на переходных участках деталей

Из [1] известно, что при управлении съемом металла по времени обработки на переходных участках заготовок образуется скругление кромок.

Для прямых углов (а=90о) радиус скругления в период обработки (обычно не более нескольких минут) может достигать 1 мм. Зная закономерности изменения радиуса скругления, можно управлять получением требуемого радиуса по времени, т.е. получить совершенно новый технологический результат - управляемое формообразование точных сопряжений из произвольного начального профиля заготовки. Это актуально для лопаток авиационных и ракетных двигателей, где кромки могут иметь большую закрутку, и изготовление таких поверхностей струйным методом дает значительный экономический эффект.

Такие операции могут достаточно просто выполняться на станках для комбинированной гидроабразивной обработки путем разделения профиля заготовки на мерные участки, составляющие часть длины [2] сложного геометрического профиля на поверхности обработки.

Применение метода траекторных преобразователей для создания управляющих программ

В [3] в основу создания управляющих программ положены принципы подобия [4] и аналогового моделирования с использованием электрических воздействий (например, через эквивалентное сопротивление). Такой параметр входит во все режимные показатели методов обработки с наложением электрического поля. В [3] предлагается для построения траектории перемещения инструмента (в нашем случае электрода) использовать кривые Лиссажу, т.е. замкнутые движения точки в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что позволяет описать координаты в любой системе проектирования перемещений с учетом длины струи и расстояния между инструментом и зоной обработки (при малых расстояниях это межэлектродный зазор). Аналогом такой системы является автоматическое управление струей, или известные системы управления электронным и световым лучом при разделении заготовок из листовых материалов.

В [3] предлагается описание траекторий движения инструмента выполнять системой однопараметрических уравнений, дающих достаточно полное представление об их геометрических и аналитических свойствах. В прямоугольной системе координат (х, у) управляемые координаты xb; уь

xb=A0± £ÜLi \a(¿) cos{k(1) a + а01) ± b¡^)sin(k(2)a + а02)] (1)

т

Уь = Во ± ^ [a(k)cos(k(3)a + а0з) í=i

± Ь,( sin (к(4)а + а04)]

где А0, В0 - расстояние до точки касания поверхности струей в системе отсчета от начала координат;

(П1 1 (П1

ак , Ьк - амплитуды гармоник п -го порядка;

- частоты гармонических базовых слагаемых;

а - независимый текущий параметр (0 < а < |);

а0- начальное значение параметра;

т - количество автономных участков.

Рассмотренная специфика

формирования системы управления процессами обработки деталей при комбинированной чистовой гидроабразивной обработке на станках с ЧПУ показывает, что использование для этой цели стандартных программных продуктов, предназначенных для механической обработки, охватывает лишь часть управляющих действий, в основном тех, где отсутствие прямого контакта инструмента с заготовкой не оказывает значительного влияния на формообразование.

Методы траекторных преобразователей позволяют учесть не только геометрические параметры, но и аналитические факторы, определяемые режимами электрического поля и гидродинамическими особенностями, влияющими на технологические показатели электрических методов обработки.

Траектория струи относительно

обрабатываемой поверхности

Движение струи должно повторять перемещение при гидроабразивной обработке пятна контакта инструмента с заготовкой. Для сложнопрофильных поверхностей это аналог строчечной схемы, приведенной в [5], которая применяется для обработки сопряжений по профилю пера одиночных лопаток и их кромок. К сожалению, такая схема непригодна для цельных колес лопаточных машин и каналов гидроаппаратуры, где требуется односторонний подвод инструмента, например, в форме рабочей струи с минимальной зоной контакта с заготовкой, площадь которой зависит от допуска на профиль детали.

Для обработки сложнопрофильных поверхностей требуется поворот заготовки, что изменяет скорость съема припуска, угол поворота струи, и вызывает появление дополнительных погрешностей.

На рис. 1 показано изменение этих параметров.

Рис. 1. Величина погрешности за счет поворота струи относительно вертикали. Расстояние от среза сопла: 1 - 10 мм (ххх); 2 - 5 мм (ооо). Материал - ВД17. Давление струи 415 МПа. Напряжение 300 В. Абразив - отбеленный чугун

Как видно из рис. 1, погрешности, связанные с изменением вектора струи, могут возрастать на порядок, если при этом зона обработки удаляется от среза сопла. Такое удаление объективно необходимо, если зона обработки (например, кромки лопаток) углублена в деталь. Поэтому для чистовой обработки сложнопрофильных поверхностей желательно закладывать такую кинематику перемещения деталей, чтобы за счет этого фактора было минимальное изменение угла атаки и расстояния между срезом сопла и точкой воздействия оси струи.

Как показано в [6], удаление зоны обработки желательно иметь до 50-60 мм, что

не всегда возможно при чистовой обработке. Эффективным методом повышения скорости съема и снижения шероховатости является управление процессом путем изменения доли анодного удаления припуска, что для размерной обработки исследуется впервые.

Параметрическая связь между вектором струи и геометрией сложнопрофильных поверхностей детали

На рис. 2 показана схема перемещения струи при обработке сложнопрофильных поверхностей и формирование зоны обработки.

Рис. 2. Схема перемещения струи при обработке сложнопрофильных поверхностей: т - точка контакта струи с обрабатываемым участком; М - срез сопла для подачи рабочей среды; L-L, В-В - образующие обрабатываемой

поверхности; N П, N - плоскости в зоне обработки

На рис.2 поверхность А обрабатывается при перемещении струи по нормали М и траектории L-L, образуя строку. Движение происходит за счет перемещения поверхности А сначала по L-L, затем с перестановкой на шаг В-В. Продольная секущая плоскость N пересекается в точке m с нормальной плоскостью Nb образуя вектор струи mM. Очевидно, что при любой геометрической форме поверхности А точка m контакта струи всегда будет на нормали mM при пересечении плоскостей N и N1.

В декартовой системе координат ось х характеризует продольное движение струи (по L-L на рис. 3), y - поперечное (по В-В на рис. 3), z - по направлению движения струи (mM на рис. 3).

Перемещение обрабатываемой

поверхности происходит: поворотом относительно х-х с управлением по углу da/dr, где а - угол поворота относительно х-х, касательной к L-L, r - текущее время; относительно y-y - d6/dr ; путем прямолинейного перемещения по dx/dr ;

dyldr ; dz/dr .

Обработка струей произвольной поверхности возможна, если управлять всеми перемещениями в реальном масштабе времени.

При перемещении струи вдоль L-L (рис.3) следует обеспечить управление ее вектором по минимальному количеству управляющих параметров.

Рис. 3. Схема расчета расстояния от среза сопла до точки контакта оси струи с местом обработки на кромке лопатки турбины: х,у^-неподвижная система координат; х1,у1^1 -подвижная система координат; R, г -радиусы-векторы точек М и т

Если закрутка детали незначительна, то возможно при обработке для каждой строки перемещения струи в качестве управляющих

параметров сохранить d0|dт и dz|dт, dx|dт, или даже только dz|dт , dx|dт, если поворот детали da|dт выполнять в конце строки на угол изменения положения касательной на отрезке между соседними строками.

Тогда общую закономерность управления строками можно записать системой

da|dт =0; d6|dт =0; dx|dт Ф 0; dz|dт Ф 0 -1-ая строка dy|dт Ф 0; da|dт Ф 0 - переход на следующую строку da|dт =0; d6|dт =0; dx|dт Ф 0; dz/dт Ф 0 -следующая строка

Если закрутка детали значительная (для больших лопаток ГТД и энергетических машин она может быть 90° и больше), то в систему необходимо добавить для каждой строки da| dт и можно исключить при

переходе на строку da|dт.

Кинематика точки т касания струи включает несколько видов перемещений, где абсолютная скорость у0 складывается из

переносной у1 и относительной у2 :

У0 = VI + у2 (2)

Таким образом, при движении точки соприкосновения струи относительно сложнопрофильной поверхности траектория может быть однозначно получена как синтез отрезков с абсолютной скоростью, что позволяет спроектировать программу автоматизированной чистовой обработки комбинированным методом.

Граничным условием модели перемещения вектора оси струи является условие

тМ ) , п

cosvn mM =

2

(3)

v

о

где тМ - единичный вектор кривой L-L движения струи; У0Л тМ - угол между

векторами v0 и тМ.

Для получения минимальной погрешности при чистовой обработке необходимо иметь параметры состояния положения струи к абсолютному перемещению обрабатываемой детали,

близким к —.

2

Заключение

Разработан механизм формирования геометрии переходных участков на примере чистовой обработки профиля пера лопаток авиационных и ракетных двигателей, имеющих наиболее сложную форму, описываемую табличным методом по точкам, характеризующим профиль. Приведен анализ чистовой обработки возможных поверхностей с учетом влияния на точность профиля допущений, принятых при разработке программного продукта. Показано, что при использовании современного оборудования для комбинированной обработки погрешность программирования (в том числе при табличном методе задания профиля детали)

Это позволяет

чистовую обработку сложнопрофильных поверхностей при использовании

гидроабразивного комбинированного метода.

незначительна.

автоматизировать

большинства

Литература

1. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов [Текст] : Учеб. пособие (в 2-х томах.). Т.П/Под ред. В.П. Смоленцева. М.: Высш. шк., 1983. - 208 с.

2. Смоленцев, В.П. Формирование поверхностного слоя при гидроабразивном разделении металлов с наложением электрического поля [Текст] / В.П. Смоленцев, Е.В. Гончаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. -Т. 7. - №7. - С.74-77.

3. Рази А.А. Траекторные преобразователи [Текст] / А.А. Рази. Л.: Машиностроение, 1984. - 192 с.

4. Безъязычный В.Ф. Метод подобия в технологии машиностроения [Текст] / В.Ф. Безъязычный. М.: Машиностроение, 2012.-320 с.

5. Юнусов Ф.С. Формообразование сложнопрофильных поверхностей шлифованием [Текст] / Ф.С. Юнусов. М: Машиностроение. 1987.-248 с.

6. Смоленцев В.П. Комбинированное разделение заготовок гидроабразивным методом [Текст] /

B.П. Смоленцев. Е.В. Гончаров, В.И. Котуков // Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструменты. М.: Спектр, 2014. Т. 3.-

C.118-172.

Воронежский государственный технический университет

GEOMETRY GENERATION PROCESS OF TRANSITION SECTIONS DURING COMBINED

TREATMENT

O.N. Kirillov, Doctor of Engineering Science, Assistant Professor, Voronezh State Technical University,

Voronezh, Russian Federation, e-mail: kirillov.olli@yandex.ru

V.P. Smolentsev, Doctor of Engineering Science, Professor, Voronezh State Technical University,

Voronezh, e-mail: vsmolen@inbox.ru

V.I. Kotukov, Postgraduate, Voronezh State Technical University, Voronezh, e-mail: fgupvmz@mail.ru

Process of getting parts mating, manufactured with use of hydroabrasive method in current-conducting fluid medium during effect of external electric field is viewed in the article. Capabilities of developed combined method for finish machining of airfoils of aircraft and rocket engines are presented.

The problem of getting with required accuracy final airfoil of mating surfaces areas was decided with the use of combined hydroabrasive-jet treatment with anodic removal from surface of separation tolerances, sufficient for removal of overact layer. From the theory of dimensional electrochemical machining it is known that speed of material removal with use of anodic dissolution will be higher on concentrators of the field, which are microroughnesses. That is why, application of the electric field helps to reduce roughness. Removal of waste products and recovery of abrasive cutting properties is performed simultaneously. This leads to stabilization process of metal separation, improve quality of machined surface, performance, improve tool life, makes it possible to reduce cost of machining. However, previously obtained results don't provide achievement of required technological parameters during finish dimensional machining of surfaces, type turbine and compressor airfoils, turbo pump assemblies. It is required to establish regularities for jet control and create jet moving process through the surface working area. Description of the surface working area is usually prescribed by table method, consecutive combination of points. It is necessary to establish parameters for each point during designing of combined machining mode. Parameters must to take into account geometry of machined area of the detail and position of fluid jet.

Modern structures of high technology transport products are contain a lot of elements, to which direct access of metal cutting tool is limited. It is necessary to create new technological methods and devices for finish machining. Combined process decides this problem and increase technological opportunities for manufacturers of future products in the article presented here

Key words: hydroabrasive treatment, mating, transition sections, geometry generation process

References

1. Jelektrofizicheskie i jelektrohimicheskie metody obrabotki materialov[Electrophysical and electrochemical treatment methods of materials]: Ucheb. posobie (v 2-h tomah.). T.II/Pod red. V.P. Smolenceva. M.: Vyssh. shk., 1983. - 208 s.

2. Smolencev V.P. Formirovanie poverhnostnogo sloja pri gidroabrazivnom razdelenii metallov s nalozheniem jelektricheskogo polja [Generation of surface layer during hydroabrasive separation of metals with application of the electric field]/ V.P. Smolencev, E.V. Goncharov // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2011, Tom 7 №7. - S.74-77.

3. Razi A.A. Traektornye preobrazovateli [Trajectory transducers]/ A.A. Razi. L.: Mashinostroenie, 1984. -

192 s.

4. Bez'jazychnyj V.F. Metod podobija v tehnologii mashinostroenija [Similarity method in technology of machine building]/ V.F. Bez'jazychnyj. M.: Mashinostroenie, 2012.-320 s.

5. Junusov F.S. Formoobrazovanie slozhnoprofil'nyh poverhnostej shlifovaniem [Generation of geometrically-complex surfaces by grinding]. M: Mashinostroenie.1987.-248 s.

6. Smolencev V.P. Kombinirovannoe razdelenie zagotovok gidroabrazivnym metodom [Combined separation of semi-finished products by hydroabrasive method]/ V.P. Smolencev. E.V. Goncharov, V.I. Kotukov. Progressivnye mashinostroitel'nye tehnologii, oborudovanie i instrumenty. Moskva. Spektr.2014. tom 3.- S.118-172.