CC BY
13
Машиностроение и машиноведение
DOI 10.25987/^ТО.2019.15.5.015 УДК 621.9.047
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ОТВЕРСТИЙ В ФИЛЬТРАХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
А.Ю. Рязанцев, Е.В. Смоленцев, В.Г. Грицюк, А.А. Широкожухова Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассмотрены методы получения отверстий в металлических фильтрах различных типоразмеров. Раскрыта специфика применения электроэрозионного и электронно-лучевого методов обработки при прошивке отверстий. Представлены пути обеспечения качества поверхностного слоя деталей в процессе изготовления фильтрующих элементов жидкостных ракетных двигателей. Проведенный анализ существующих комбинированных методов обработки металлических фильтров позволяет сделать вывод о том, что максимальная производительность достигается при использовании электронно-лучевой обработки для прошивки отверстий. Исходя из того, что фактическое микроструктурное состояние контактных поверхностей является основным условием формирования характеристик фильтрующих элементов, определены методы исследования. В соответствии с рассматриваемыми в работе методами обработки выполнены исследования параметров шероховатости изготовленных отверстий на образце-имитаторе и гидравлических характеристик фильтрующего элемента при постоянном расходе рабочей среды. При проведении испытаний в качестве испытательной среды использовалась техническая вода. Исходя из расчетных параметров пролива фильтра и полученных фактических результатов, сделан вывод о том, что для обеспечения оптимальных гидравлических характеристик фильтрующих элементов электроэрозионный способ обработки отверстий является более предпочтительным. Результаты работы способствуют повышению технологичности изготовления изделий новых поколений техники, что актуально для машиностроения
Ключевые слова: качество, фильтрующий элемент, поверхностный слой, двигатель, шероховатость, деталь
Введение
Требования к качеству изготавливаемых деталей авиационной и космической техники новых поколений постоянно растут. Формы составных элементов современной наукоемкой продукции усложняются, происходит увеличение удельной нагрузки на конструкцию изделий. Под действием наследственных явлений происходит изменение формы деталей, возникают погрешности, способные вызвать нарушение качества всего изделия. Для повышения качества деталей требуется создание механизма управления параметрами технологической системы, проектирование технологических процессов, позволяющих обеспечить получение и сохранение заданной геометрической формы и качественного поверхностного слоя окончательно изготовленного изделия [1].
Значительная часть авиационно-космической техники работает в условиях нестационарного воздействия знакопеременных нагрузок, повышенных и пониженных температур, газообразного и жидкого водорода. Изделия работают при критических многоцикловых
© Рязанцев А.Ю., Смоленцев Е.В., Грицюк В.Г., Широкожухова А.А., 2019
нагружениях в условиях кавитации и пульсации высоких рабочих давлений, в агрессивных коррозионных средах, в том числе - водородо-содержащих. Установлено, что при больших нестационарных перепадах температур, учитывая наличие жидкого водорода и газообразной среды, поверхность детали, граничащая с рабочей средой, не должна иметь местных нарушений поверхностного слоя, так как в случае попадания водорода происходит интенсивное наводораживание и охрупчивание материала, а за счет известного эффекта Ребиндера возникают высокие растягивающие напряжения, резко снижающие работоспособность детали при высоких знакопеременных нагрузках. Учитывая экстремальные условия работы фильтрующих элементов в жидкостных ракетных двигателях, качественное изготовление фильтров оказывает непосредственное влияние на функционирование изделия [2]. Принимая во внимание химические свойства компонентов топлива, применяемых в жидкостных ракетных двигателях, широкое распространение получили металлические фильтры, в большинстве случаев представляющие собой изделия из металлических листовых материалов с большим количеством отверстий малого диаметра (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид фильтров
Постановка задачи
Поиск перспективных методов изготовления изделий ракетно-космической техники является приоритетным направлением развития технологий в области машиностроения. Высокая точность, качество поверхности окончательно изготовленного изделия и другие технологические показатели являются первостепенными при внедрении наукоемкой технологии [3]. Фильтрующая способность при неизменности гидравлического сопротивления магистралей является основным параметром фильтрующего элемента. Качество поверхностного слоя изготовленных отверстий в фильтре является непосредственным фактором обеспечения гидравлического сопротивления магистралей. Фильтр должен быть прочным при воздействии усилия от перепада давления, а также стойким к ударным и вибрационным нагрузкам. В процессе изготовления деталей должна обеспечиваться чистота наружных поверхностей и внутренних полостей. В аэрокосмической отрасли проверка работоспособности фильтров выполняется проведением испытаний на прочность в нормальных условиях рабочей средой (водой), при заданном расходе и противодавлении за определенный промежуток времени. При этом обеспечивается требуемый перепад давления (разница давлений на входе и выходе изделия). Также подтверждение работоспособности фильтрующего элемента возможно проведением испытаний водой на заданном расходе, при этом должно быть обеспечено определенное давление на входе в изделие. В результате испытаний не должна быть нарушена целостность фильтрующего элемента. Контроль вышеуказанного требования осуществляется в большинстве случаев визуально с применением фотодокументирования. Решение задачи по повышению качества получаемого слоя на изготавливаемой детали и зависящих от него экс-
плуатационных показателей изделия базируется, прежде всего, на управлении состоянием остаточных напряжений, наклепа, шероховатости. Качественный поверхностный слой обеспечит стабилизацию процесса работы готового изделия, повысит технологические показатели системы.
Наукоемкие технологии изготовления фильтрующих элементов
За последние годы при изготовлении фильтров наибольшее распространение получили электрохимические и электрофизические методы обработки материалов. Электроэрозионные, эрозионно-химические и электрохимические методы прошивки отверстий в листовых металлических заготовках позволяют изготавливать фильтры с малыми диаметрами отверстий и достаточно большой площадью обработки за короткий промежуток времени.
Высокоскоростные комбинированные способы обработки с использованием электроннолучевых, электрохимических и эрозионно-химических методов являются оптимальными при получении отверстий различной геометрической формы в фильтрах, изготавливаемых для новых изделий авиационной и космической техники из специальных материалов, в частности, из нержавеющих сталей [4].
Электронно-лучевой метод прошивки отверстий малого диаметра позволяет обеспечить требуемые факторы технологической системы. Обработка производится при помощи электронной пушки и основана на использовании кинетической энергии электронов, движущихся с большой скоростью, для направленного удаления материала нагревом, плавлением и испарением. Данный метод является высокоскоростным и обладает большой производительностью, которая зависит от мощности луча, размеров участка, на котором он фокусируется, физико-механических свойств материала и толщины изделия. Метод эрозионно-химической прошивки позволяет снизить время изготовления фильтров с толщиной стенки 1,52 мм в несколько раз и добиться минимальных значений уклона боковых поверхностей отверстий.
При электронно-лучевой обработке невозможно избежать выброса расплавленного материала, который оседает на боковых поверхностях отверстий и заготовки, что может сказаться на гидравлических и пневматических характеристиках фильтров, поэтому требуется при-
менение комбинированных методов с использованием электрохимической или механической обработки.
Для получения фильтрующих элементов наиболее перспективными видами обработки являются высокопроизводительные комбинированные методы: электронно-лучевые, эрози-онно-химические и электрохимические, дающие возможность обеспечить необходимые конструкторские требования к детали, такие как масса и габариты. При этом метод обработки должен обеспечивать химический состав обрабатываемых материалов.
Проведенный анализ существующих комбинированных методов обработки металлических фильтров позволяет сделать вывод о том, что при использовании для прошивки отверстий электронно-лучевой обработки достигается максимальная производительность, при этом обеспечивается качественный поверхностный слой обрабатываемой заготовки [5]. Возможно использование комбинированной размерной обработки для изготовления изделий авиации, космонавтики и других отраслей промышленности, в том числе деталей и сборочных единиц сложной геометрической формы.
Методы исследований
Одним из основных условий формирования характеристик фильтрующих элементов, предъявляемых при гидравлических испытаниях, и соответствия пропускной способности фильтров заданным значениям является фактическое микроструктурное состояние контактных поверхностей, поверхностных слоев. В первую очередь необходимо исследование влияния шероховатости на характеристики фильтра, так как данный критерий является одним из основных параметров, характеризующих состояние поверхностного слоя, и непосредственно обеспечивает заданную пропускную способность (пролив) фильтра. Для проведения экспериментов необходимо изготовление опытного образца с заданными прочностными свойствами и проведение гидравлических испытаний для подтверждения характеристик изделия [6].
Учитывая типовые конструкции фильтрующих элементов в двигателестроении, в качестве образцов-имитаторов были изготовлены элементы фильтра в соответствии с рисунком 2 из материала 12Х18Н10Т, в качестве заготовки использовался круг диаметром 25 мм.
Рис. 2. Эскиз образца-имитатора
С целью обеспечения пропускной способности фильтра отверстия на образцах выполнялись с предельным отклонением ±0,05 мм между осями двух любых отверстий. Для оценки влияния способа изготовления отверстий на гидравлические характеристики фильтрующих элементов на двух образцах-имитаторах отверстия выполнялись электронно-лучевым и электроэрозионным способами соответственно (рис.
3).
Рис. 3. Сектор фильтрующего элемента изготовленного электроэрозионным способом
Механический и электрохимические способы для прошивки отверстий не применялись, так как их использование нецелесообразно для рассматриваемой типовой конструкции фильтров с маленькими диаметрами и большим количеством изготавливаемых отверстий [7].
Для замера шероховатости поверхностного слоя отверстий в фильтрах использовался мобильный прибор MahrSurf М300 (Германия) со специальными опорными щупами. Обработка результатов замера проводилась с помощью специального программного обеспечения с распечаткой протоколов (рис. 4).
Рис. 4. Протокол замера шероховатости поверхности отверстий фильтрующего элемента, полученных электронно-лучевой обработкой
Замер шероховатости поверхностного слоя отверстий производился на базовой длине 1 мм контактным способом несколько раз, с целью подтверждения достоверности полученных значений. Результаты приведены в таблице.
Замеры фактической величины шероховатости поверхностного слоя отверстий
№
п/п
Величина шероховатости отверстий Rа, мкм
Электроннолучевой способ
0,652
0,652
0,651
Электроэрозионный способ
0,6
0,61
0,6
стоянным расходом 1,096 кг/с величина давления на входе в фильтр должна быть равна 0,6 кгс/см2. Замер давления (Рвх) на входе в фильтрующий элемент производился 4 раза в течение 30 секунд. Фактические результаты гидравлических испытаний представлены на рис. 5.
Рис. 5. Фактические параметры давления на входе в фильтр 1 - расчетное значение гидравлических характеристик фильтра,
2 - значения пролива фильтра, изготовленного с применением электроэрозионного способа,
3 - значение пролива фильтра, изготовленного с применением электронно-лучевого способа
Исходя из расчетных параметров пролива и полученных результатов, представленных на рис. 5, можно сделать заключение, что образец фильтрующего элемента с отверстиями, изготовленными электроэрозионным способом, обеспечил более качественные проливочные характеристики фильтра по отношению к образцу с отверстиями, изготовленными с применением электронно-лучевой обработки.
1
2
3
После изготовления отверстий электроннолучевой обработкой нагар вокруг отверстий удалялся химическим способом. Выполнялась наружная и внутренняя электрополировка поверхностей образца с целью обеспечения проли-вочных характеристик.
Проверочные испытания выполнялись на специальном проливочном стенде с использованием технологической оснастки в виде корпуса, внутрь которого помещался изготовленный фильтрующий элемент (образец-имитатор). В качестве рабочей среды использовалась вода. Согласно расчетным гидравлическим характеристикам при проливе фильтра с заданным по-
Выводы
Основной функцией фильтров в жидкостном ракетном двигателе является защита внутренних полостей от посторонних частиц и предметов. Пропускная способность фильтрующих элементов изделий обеспечивает работоспособность двигателя, следовательно, фильтр является критичным элементом конструкции [8].
Электроэрозионный и электронно-лучевой методы обработки являются оптимальными при изготовлении металлических фильтров с большим количеством отверстий, так как обладают
высокой производительностью и обеспечивают минимальную погрешность полученных отверстий. Выполненные исследования позволяют сделать вывод, что для обеспечения оптимальных гидравлических характеристик фильтрующих элементов электроэрозионный способ обработки отверстий является более предпочтительным по отношению к электроннолучевому. Результаты работы способствуют повышению технологичности изготовления изделий новых поколений техники, что актуально для машиностроения.
Литература
1. Кириллов О.Н., Рязанцев А.Ю. Расширение области использования комбинированных процессов обработки непрофилированным электродом-щеткой // Вестник Рыбинского авиационного технического университета имени А.П. Соловьева. 2017. № 2 (41). С. 15-20.
2. Совершенствование технологической подготовки машиностроительного производства / А.Ю. Рязанцев, А.А.
Болдырев, А.И. Болдырев, В.Г. Грицюк // Современные технологии производства в машиностроении: сб. науч. тр. Воронеж: ООО «Издательско-полиграфический центр «Научная книга», 2019. Ч. 12. С. 56-62.
3. Справочник металлиста. В 5 т. / под ред. С.А. Чернавского, В.Ф. Рещикова. М.: Машиностроение, 1976. Т. 1. 768 с.
4. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2-х т. / под ред. В.П. Смоленцева. М.: Высш. шк., 1983. Т. 2. 208 с.
5. Fomin A.A., Gusev V.G., Sattarova Z.G. Geometrical errors of surfaces milled with convex and concave profile tools // Solid State Phenomena. 2018. Vol. 284. Pp. 281-288.
6. Ryazantsev A.Yu., Yukhnevich S.S. Use of combined methods of treatment to obtain artificial roughness on the parts surfaces // MATEC Web of Conferences: International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment (ICMTMTE 2018). 2018. Vol. 224.
7. Smolentsev V.P., Safonov S.V., Zolotarev V.V. Processing of channels in heat engine filters // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. Pp. 1124-1130.
8. Taylor E.J., Inman M. Electrochemical Surface Finishing // The Electrochemical Society Interface, Fall. 2014. Vol. 23. Issue 3. Pp. 57-61.
Поступила 11.06.2019; принята к публикации 08.10.2019 Информация об авторах
Рязанцев Александр Юрьевич - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected], тел. 89042126560
Смоленцев Евгений Владиславович - д-р техн. наук, профессор кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), е-mail: [email protected], тел. 89107464075
Грицюк Василий Григорьевич - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), е-mail: [email protected], тел. 89036517268
Широкожухова Анна Александровна - аспирант кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), е-mail: [email protected], тел. 89204555959
QUALITY ASSURANCE OF THE PART SURFACE LAYER WHEN DRILLING HOLES
IN THE ROCKET ENGINES FILTERS
A.Yu. Ryazantsev, E.V. Smolentsev, V.G. Gritsyuk, A.A. Shirokozhukhova Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article consider the methods for producing holes in metal filters of various sizes. It discloses the specifics of the application of electro erosive and electron-beam processing methods for piercing holes. It presents the ways to ensure the quality of the surface layer of parts in the manufacturing process of filter elements of liquid rocket engines. The analysis of existing combined methods of processing metal filters allows us to conclude that maximum productivity is achieved when using electron beam processing for flashing holes. Based on the fact that the actual microstructural state of the contact surfaces is the main condition for the formation of the characteristics of the filter elements, research methods are determined. In accordance with the processing methods considered in the work, studies were performed of the roughness parameters of the holes made on the sample simulator and the hydraulic characteristics of the filter element at a constant flow rate of the working medium. During testing, process water was used as a test medium. Based on the calculated parameters of the filter strait and the actual results obtained, it was concluded that, to ensure optimal hydraulic characteristics of the filter elements, the electro erosive method of processing holes is more preferable. The results of the work contribute to improving the manufacturability of products of new generations of technology, which is important for engineering
Key words: quality, filter element, surface layer, engine, roughness, part
References
1. Kirillov O.N., Ryazantsev A.Yu. "Expansion of the use of combined processes of treatment with non-profiled electrode-brush", Bulletin of Rybinsk Aviation Technical University Named after A.P. Solovyov (Vestnik Rybinskogo Aviatsionnogo Tekhnich-eskogo Universiteta Imeni A.P. Solov'eva), 2017, no. 2 (41), pp. 15-20.
2. Ryazantsev A.Yu., Boldyrev A.A., Boldyrev A.I., Gritsyuk V.G. "Improvement of technological preparation of machinebuilding production", Collection of Scientific Works "Modern production technologies in mechanical engineering" (Sovremennye tekhnologiiproizvodstva v mashinostroenii: sb. nauch. tr.), 2019, vol. 12, pp. 56-62.
3. Chernavskiy S.A., Radicova V.F. ed. "Metalist's guide. In 5 vols" ("Spravochnik metallista. V 5 t.") Moscow, Mashi-nostroenie, 1976, vol. 1, 768 p.
4. Smolentsev V.P. ed. "Electrophysical and electrochemical methods of materials processing. In 2 vols" ("Elektrofizicheskie i elektrokhimicheskie metody obrabotki materialov. V 2-kh t."), Moscow, Vysshaya shkola, 1983, vol. 2, 208 p.
5. Fomin A.A., Gusev V.G., Sattarova Z.G. "Geometrical errors of surfaces milled with convex and concave profile tools", Solid State Phenomena, 2018, vol. 284, pp. 281-288.
6. Ryazantsev A.Yu., Yukhnevich S.S. "Use of combined methods of treatment to obtain artificial roughness on the parts surfaces", MATEC Web of Conferences: International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment (ICMTMTE 2018), 2018, vol. 224, 01058
7. Smolentsev V.P., Safonov S.V., Zolotarev V.V. "Processing of channels in heat engine filters", Procedia Engineering, 2016, vol. 150, pp. 1124-1130.
8. Taylor E.J., Inman M. "Electrochemical surface finishing", The Electrochemical Society Interface, Fall, 2014, vol. 23, issue 3, pp. 57-61.
Submitted 11.06.2019; revised 08.10.2019 Information about the authors
Aleksandr Yu. Ryazantsev, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected], tel. 89042126560
Evgeniy V. Smolentsev, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected], tel. 89107464075
Vasiliy G. Gritsyuk, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected], tel. 89036517268
Anna A. Shirokozhukhova, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected], tel. 89204555959
