CC BY
103
УДК 621.9.047
РЕЖИМЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ФИЛЬТРОВ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ
ГОРЮЧИХ СМЕСЕЙ
Ю.В. Шаров, В.П. Смоленцев, И.Г. Дроздов
Рассмотрены известные и перспективные методы обработки каналов в фильтрах для очистки и подачи в зону горения жидких и газовых смесей. Для получения большого количества отверстий малого диаметра в настоящее время в основном используется электронно-лучевая прошивка, которая при высокой производительности не позволяет получать постоянный диаметр цилиндрических отверстий. В работе рассмотрен перспективный вариант изготовления фильтров многоэлектродным инструментом с использованием электроэрозионного и эрозионнохимического метода
Ключевые слова: технология, электронно-лучевая прошивка, электроэрозионная многоэлектродная обработка
Введение
Для изготовления отверстий малого диаметра требуются электроды-инструменты, не имеющие отверстий для подвода рабочей среды в зону обработки. Если изготавливаются группы отверстий, например в фильтрах, то расстояние между ними становится настолько малым, что соседние электроды могут быть выполнены только в виде монолита с корпусом и их вращение становится не осуществимым. В ряде случаев сечение каждого электрода представляет собой прямоугольник, а в фильтрах требуется получить в основном круглые отверстия. Технология электрических методов обработки позволяет прошивать каналы любого сечения, в том числе при большом количестве одновременно работающих инструментов - электродов. Так в [1] указывается на возможность изготовления отверстий диаметром
0,2-0,5 мм, глубиной до 20 мм. Здесь в качестве инструмента используют металлические трубки, через которые подают рабочую среду к торцу инструмента. Если такой возможности не имеется, то приходится пропускать жидкость через узкие щели между электродами вдоль их нагруженной поверхности. В этом случае по мере углубления электродов в заготовку входящие и выходящие потоки рабочей среды встречаются на боковых участках изготовленных отверстий, ограничивая вынос продуктов обработки и снижая скорость процесса. Возникает наиболее сложный случай электроэрозионной и комбинированной обработки группой инструментов, где невозможно сформировать сквозное протекание рабочей среды. По техническим условиям на деталь требуется получить точные глубокие отверстия некруглым электродом, где из-за малого сечения инструмента сложно достичь высокой жесткости отдельных электродов. Рассмотрим наиболее известный способ прошивки отверстий малого диаметра - электронно-
Шаров Юрий Владимирович - ВГТУ, соискатель, тел. 8 910 732 95 70
Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 903 655 99 70
Дроздов Игорь Г еннадьевич - ИМАТ ВГТУ, директор, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 910 732 95 70
лучевой метод, не требующий профильного инструмента.
Электронно-лучевая обработка отверстий малого диаметра в фильтрах
Фильтры могут быть плоскими, цилиндрическими, коническими, с переменным профилем. В них выполняют отверстия диаметром от 0,1-0,15 до 0,5-0,6 мм, с глубиной 1-3 мм. Количество отверстий в фильтре может достигать 80-100 тысяч.
Электронно-лучевая обработка позволяет [2] получать отверстия от 10 мкм со скоростью в несколько тысяч каналов в секунду. При этом глубина проникновения электронов в заготовку при импульсе не превышает нескольких сотых миллиметра, т. е. требуются сотни импульсов для получения глубокого отверстия. При ускоряющем напряжении №200 - 250 кВ удельная
поверхностная мощность (Р0) луча достигает 1012 -
13 2 п и.1
10 Вт/м (Р 0 =----------, где 1л - сила тока луча,
•Л<8А; п - коэффициент полезного действия луча, П<0,5; F - площадь зоны облучения, оценивается через сечение отверстия в заготовке). Процесс обработки должен протекать в глубоком вакууме (по [2] разрежение достигает до 10-6 Па), хотя известны случаи размерной обработки через тонкий слой воздуха, где по [2] длина свободного пробега электронов может достигать нескольких метров.
Высокая поверхностная мощность луча локализует зону нагрева, где для большинства материалов (кроме хрупких) не характерны микрорастрескивания.
Однако использование электронного луча связано не только с высоким напряжением, вызывающим активное рентгеновское излучение, но и с необходимостью в глубоком вакууме, что требует дополнительной энергии, увеличивает вспомогательное время операции (особенно без использования шлюзовой камеры).
При построении технологического процесса электронно-лучевой прошивки отверстий малого диаметра необходимо учитывать следующие особенности:
- точность отверстий вдоль оси будет снижаться с увеличением толщины прошиваемой стенки;
- при больших габаритах заготовки следует предусматривать совместное перемещение луча и обрабатываемой поверхности, что в современных установках должно быть предусмотрено средствами автоматизации;
- разрабатывать мероприятия по технике безопасности (защита от повреждения током, рентгеновским излучением и др.);
- поддерживать технологические режимы в узком рабочем диапазоне. По [2] изменение напряжения питания установки на ±5-10% изменяет ускоряющее напряжение на 1%, а силу тока электронного луча более чем на 0,5%. Это влияет на точность получаемого отверстия, может вызвать пропуск импульсов, утрату части отверстий в фильтре.
О 5+С1'С?
- —С). 01
0,5
-0,045
+0,02 -Ц04 П ГПП.]
03
43,02
Щ
ЛГИ и [ Г].
0,3
1.2 1 _ 2 А Б
Рис. 1. Диаметр отверстий в фильтре тонкой очистки (толщина листа 1,5 мм)
А - вдоль оси фильтра; Б - по сечению фильтра. 1 -на входе электронного луча; 2 - на выходе луча из отверстия
Проведенные исследования (рис.1) показали, что при прошивке отверстий диаметром 0,3 мм в фильтрах из нержавеющей стали с толщиной стенки 1,5 мм, входное отверстие возрастает до 0,5 мм. При этом погрешности сечения каналов возрастают при перемещении луча относительно оси фильтра. Значительное увеличение диаметра отверстий на входе луча в заготовку ограничивает возможности увеличения фильтрующей способности деталей.
На рис. 2 приведен анализ размещения отверстий на поверхности фильтра с диаметром
отверстия 0,3+д 04 мм. Образование конусности по
глубине (рис. 3) фактически ликвидирует перемычки со стороны входа луча, что приводит к ослаблению прочности конструкции и нарушению
плоскостности листа заготовки. Это требует возможности снижения толщины детали, что предусматривается в конструкторской
документации (рис.3).
Измерение профилей каналов показало, что на входе и выходе из отверстия образуются радиусы г1 и г2, величина которых несколько микрон. Незначительный выход из поля допуска (рис. 1)
отверстия 0,3+0 05 мм очевидно связан с ошибкой
при изменении профиля отверстия с нечеткой границей в зоне радиуса г2.
Рис. 3. Профиль отверстия в фильтре из стали 07Х16Н6
В [2] указывается, что при малых глубинах отверстий уклон боковых поверхностей может быть
получен в переделах 1°, что отвечает требованиям к деталям к деталям авиационно-космической техники [3]. Однако при глубине каналов более 5 диаметров уклон может быть до 5° и даже 6°,что наблюдалось в каналах форсунок с диаметром 0,25 мм при их длине 2,5 - 3,0 мм. Таким образом, предельная фильтрующая способность деталей ограничена шагом между соседними отверстиями (на рис. 3 1,1 мм).
Процесс электронно-лучевой прошивки связан с образованием не только паров металла заготовки, но и выбросом расплавленного материала, который оседает на боковых поверхностях отверстий и заготовки (со стороны входа луча (рис. 3)).
В технологии изготовления фильтров предусмотрена чистовая электрохимическая размерная обработка отверстий, переходных участков (радиуса г1, г2 на рис. 3), торцевых поверхностей деталей со съемом металла до 0,1 -
0,2 мм. Из опыта изготовления фильтров известно, что в ряде случаев (если образуются застывшие капли с толщиной более 0,1 мм) требуется после получения отверстий предварительная механическая зачистка торцов. Это может нарушить профиль каналов и характеристики фильтров.
Многоэлектродная электроэрозионная и эрозионно-химическая обработка
Из [2], [3] известно, что электроэрозионная, комбинированная эрозионно-химическая и электрохимическая прошивка отверстий в листовых металлических материалах позволяет получать сетки, фильтры с большой площадью обработки. Так выполнение фильтров с отверстиями, имеющими форму многогранника (квадрата, шестиугольника), путем электрохимической обработки по фотошаблонам дают возможность изготавливать детали из листов толщиной до 0,25 мм за 0,8 - 1,0 минуту. При этом диагональ
Анализ таблицы показывает, что при сохранении заданной фильтрующей способности изделия и диаметра кольцевого фильтра появляется возможность снизить до 2 - 3 раз его длину, т. е. уменьшить габариты и массу узла, что представляет большой интерес для летательных объектов.
многогранника может быть менее 0,1 мм, погрешность сечения отверстий не более 0,02 мм, перемычка между отверстиями 0,1 мм. Фильтрующая способность таких деталей возрастает (по сравнению с изготовлением другими известными методами) до 6 - 8 раз. Ограничением у такого способа является малая глубина получаемых отверстий (до 0,3 - 0,5 мм при односторонней обработке и до 0,1 мм при двухсторонней).
Большинство фильтров имеет толщину листа более 1 мм, поэтому здесь приходится применять технологию электроэрозионной и эрозионнохимической прошивки многоэлектродным инструментом. Для этого решается проблема изготовления цельного инструмента, имеющего до тысячи электродов, работающих от общего источника тока. Предельная глубина отверстий при таком методе может достигать 20 диаметров, хотя в этом случае возрастает износ инструмента (до 100 -120 % от объема снятого материала) и
увеличивается уклон стенок по глубине канала.
Эрозионно-химическая обработка ([2]) позволяет до 20 раз ускорить прошивку каналов с глубиной до 1,5 - 2,0 мм (это соответствует толщине стенок большинства фильтров) и снизить уклон боковых поверхностей отверстий до долей градуса. Замена технологи электронно-лучевой обработки на электроэрозионную или эрозионнохимическую позволяет на участках фильтров с размером 1,4* 1,4 мм (рис. 3) разместить вместо трех отверстий шесть. При этом появляется возможность сократить размер участка до 1,26* 1,26 мм.
В таблице приведены сведения о технических характеристиках фильтров, аналогичным приведенному на рис. 3, в случае применения электроэрозионной и эрозионно-химической прошивки отверстий.
Остается вопрос о трудоемкости операции прошивки каналов и себестоимости изделия. Очевидно, что по производительности электроннолучевой метод находится вне конкуренции, но количество фильтров (например для двигателей летательных аппаратов) на годовую программу
Технические характеристики фильтров с отверстиями диаметром 0,3 мм при различных методах изготовления отверстий
Метод изготовления Площа дь элемента фильтра, мм2 Количеств о отверстий на элементе, шт Площадь проходного сечения отверстий на 2 элементе, мм Фильтрующая способность (отношение площадей отверстий и элемента)
Электронно-лучевой 1,96 3 0,241 0,123
Электроэрозионный многоэлектродным инструментом 1,96 6 0,482 0,246
Эрозионно- химический многоэлектродным инструментом 1,25 6 0,482 0,387
характеристик деталей и создают базу для совершенствования объектов в период проектирования новых изделий. В частности появляется возможность снизить массу фильтров и сократить трудоемкость их окончательной доводки после многоэлектродной прошивки каналов.
Литература
1. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей / под ред. Б.П. Саушкина. М: Дрофа, 2002 - 656 с.
2. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2 т. Т. 2 / Под ред. В.П. Смоленцева. М: Высш. шк., 1983 - 208 с.
3. Смоленцев, В. П. Технологические методы обеспечения качества изделий авиационно-космической техники [Текст] / В. П. Смоленцев, А. И. Болдырев, В. Н. Старов // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2012. - Т. 8. - № 2.- С.144 -148.
Воронежский государственный технический университет
Институт машиностроения и аэрокосмической техники Воронежского государственного технического университета
REGIMES AND PROCESSING TECHNOLOGY OF THE FINAL FILTERS FOR THE COMBUSTIBLE MIXTURES
Yu.V. Sharov, V.P. Smolentsev, I.G. Drozdov
The article covers well-knon and perspectiv methods of channels processing in filters for refinement and delivery of the liquid and gas mixtures to the combustion zone. To receiv large quantity of the small holes at the present time it basically used elektron-beam punching which having efficient production does not allow to reseive constant diameter of the cylindrical holes. The work examines perspective type of filters manufacture by means of instrument using electrical discharge and erosion-chemical methods
измеряется десятками, что в случае применения многоэлектродных инструментов может быть изготовлено в требуемые сроки при минимальной себестоимости изделия. Более подробный анализ варианта изготовления фильтров с участием разработчиков изделий может показать, что при сокращении количества отверстий за счет
увеличения фильтрующей способности удается уменьшить трудоемкость операции и массу узла без ухудшения эксплуатационных характеристик изделия.
Заключение
1. Нетрадиционные методы изготовления каналов в фильтрах для очистки горючих смесей позволяют создавать перспективные конструкции двигателей летательных аппаратов.
2. Анализ известных и перспективных технологических процессов прошивки отверстий в фильтрах показывает, что проводимые исследования открывают возможность повышения технических
Key words: technology, electron-beam punching, multielectrode electrical discharge machining
