CC BY
8
DOI 10.36622^Ти.2021.15.5.015 УДК 621.9.047; 621.9.048
ТЕЧЕНИЕ РАБОЧИХ СРЕД ЧЕРЕЗ КАНАЛЫ В КОРПУСЕ ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА
В.П. Смоленцев, Н.С. Поташникова, И.Г. Стародубцев Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассмотрен механизм течения жидких и газожидкостных рабочих сред через профильный инструмент для комбинированных методов обработки. Приведены типовые детали, для которых применимы электроды-инструменты с регулируемой подачей рабочей среды в зону обработки, обеспечивающей массовынос продуктов обработки из межэлектродного зазора. За счет применения аддитивных технологий решена проблема изготовления инструмента с внутренними каналами расчетного переменного сечения, обеспечивающими стабильную подачу жидкой (газожидкостной) среды и массовынос продуктов обработки. Предложены новые (на уровне изобретений) способ и электрод-инструмент с управляемой подачей по внутренним каналам рабочей среды, параметры которой рассчитаны с учетом специфики чистовой электроабразивной обработки по схеме копирования профиля детали. Расчетные зависимости для описания механизма течения рабочих сред и методы их использования позволили проектировать электроды-инструменты с профильными каналами, обеспечивающими применение технологических режимов для чистовой обработки инструментом с регулируемой подачей сред и выполнением критерия массовыноса продуктов обработки. Приведенные результаты расчета параметров течения рабочих сред через каналы в инструменте позволили расширить область эффективного использования аддитивных технологий и создать новые (на уровне изобретений) инструменты для электроабразивной обработки по методу копирования и высокопроизводительного одновременного профилирования нескольких поверхностей. Доказана возможность использования энергетической модели для расчета потенциальной составляющей энергии от реализации мощности, затрачиваемой на подкачку рабочей среды, и кинетической энергии от вращения инструмента для получения в зоне обработки требуемой скорости течения жидких (газожидкостных) сред
Ключевые слова: рабочая среда, течение, каналы, электрод, аддитивные технологии, расчет, электроабразивная обработка
Введение
Типовые объекты обработки электродами с управляемой подачей рабочей среды
С повышением точности изготовления деталей возрастают требования к стабилизации подачи жидких и газожидкостных сред в рабочую зону при комбинированных методах обработки. Для регулирования подачи рабочих сред требуется создать в электроде-инструменте закрытые каналы, часть которых выполняется в форме гладких отверстий, другие приходится формировать из стандартных профилей типа трубок и другими методами. В случае изготовления электроабразивных кругов требуется рассчитать и с использованием аддитивных технологий выполнять в корпусе электрода сложнопрофильные каналы переменного сечения. В статье приведена методология расчета гидродинамических параметров и элементов конструкции электрода-инструмента, изготовленного по запатентованному способу.
Для прошивания отверстий в металлических заготовках преимущественно используют трубчатые электроды-инструменты, в которых каналами служат центральные отверстия, а регулирование расхода сред возможно за счет изменения давления на входе жидкости в отверстие. В большинстве случаев в качестве заготовок применяют стандартные трубки из меди или латуни, в которых наружный диаметр механически уточняют с учетом размеров отверстий в заготовках детали и боковых межэлектродных зазоров. Такие трубки имеют отверстия от нескольких десятков микрон [1] до десятков миллиметров. Они используются для электроэрозионной, электрохимической и комбинированной эрозионно-химической обработки, в том числе с механическими постоянными и импульсными воздействиями различной частоты. Объектами комбинированной обработки преимущественно являются детали из труднообрабатываемых материалов с отверстиями малого сечения с различным расположением и профилем отверстий. К ним относятся форсунки для подачи компонентов топлива и других сред (рис. 1).
© Смоленцев В.П., Поташникова Н.С., Стародубцев И.Г., 2021
В)
Рис. 1. Форсунки для подачи топлива ракетных двигателей
а) из нержавеющей стали с радиальными отверстиями; б) из жаропрочного сплава с тангенсиальными каналами; в) из бронзы с переменным сечением по длине каналов (разрез и общий вид детали)
В форсунке на рис. 1,а отверстия выполняют эрозионно-химическим методом, в том числе с воздействием ультразвуковых продольных колебаний электрода-инструмента или детали. При этом требуется достичь высокой точности не только для отверстий, но и их расположения, что должно обеспечивать при про-ливке форсунок получение требуемых гидравлических характеристик. Здесь отверстия имеют круглое сечение, что позволяет в качестве инструмента применять стандартные медные и латунные трубки с подгонкой наружного диаметра под размер в детали. Аналогично возможно изготовить и рассчитать гидродинами-
ческие параметры для электродов при прошивке тангенсиальных каналов (рис. 1,б), где следует учитывать поворот потока на входе инструмента в заготовку. Более сложно (даже при использовании комбинированной обработки) выполнить каналы (рис. 1,в) с переменным профилем, сечение которых близко к форме сопла Лаваля. Их рассчитывают с учетом параметров течения рабочей среды, схемы комбинированной обработки и технологических режимов, рекомендованных в [2] для применяемого материала детали. Здесь для инструмента могут использоваться аддитивные технологии
[3], с помощью которых можно создать в электроде каналы нужных сечений и обеспечить оптимальный гидравлический режим подачи рабочей среды при любом комбинированном процессе изготовления каналов в инструменте
[4]. По [3] аддитивная обработка может снижать прочностные характеристики и показатели шероховатости материалов, но применительно к электродам-инструментам такие факторы могут не учитываться.
Трубчатые электроды-инструменты находят применение в авиакосмической отрасли машиностроения при изготовлении межлопаточных каналов и охлаждающих систем двигателей. На рис. 2 показаны охлаждаемые лопатки авиационных двигателей с каналами различного сечения.
б)
Рис. 2. Охлаждаемые лопатки авиационных двигателей
а) центральный канал в турбинной лопатке; б) система отверстий малого сечения в сопловой лопатке
Если профиль сечения канала (рис. 2,а) имеет некруглое сечение, то пустотелый электрод выполняют либо путем обжатия медной или латунной трубки с длиной наружного диаметра, равной периметру отверстия, или гибкой из листа. Здесь соединение концов в сечении не обязательно, т.к. потери рабочей среды при прошивке не могут оказать существенного влияния на результаты расчета параметров течения и геометрию каналов инструмента.
Для изговления многоэлектродных инструментов при групповой прошивке отверстий (рис. 2,б), расположенных с минимальной перемычкой, целесообразно использовать аддитивные технологии для изготовления их рабочей части. Такой способ позволяет рассчитать профиль каналов с учетом их кривизны, особенно на кромках с переменным радиусом сопряжения поверхностей.
В двигателях и гидравлических системах летательных аппаратов широко используются вибростойкие цельные фильтры со стенками толщиной до 2-3 мм, где отверстия могут выполняться комбинированными методами групповой обработкой цельными электродами с системой подачи рабочей среды через внутренние каналы [1] (рис. 3).
Рис. 3. Цельный фильтр для тонкой очистки топлив ракетных двигателей
Попытки выполнить инструмент для групповой прошивки фильтров (рис. 3) путем сборки из трубок или пайки из фрагментов оказались чрезмерно трудоемкими. Проведенные исследования показали перспективность применения для таких деталей электродов, полученных по аддитивной технологии, что позволяет сделать отверстия многогранными, за счет чего увеличить плотность их размещения, фильтрующую способность и при одинаковой пропускной способности снизить массу изделия.
Механизм массовыноса продуктов обработки при использовании электродов с каналами
Показанные выше и аналогичные изделия изготавливаются с использованием комбинированных методов обработки [4;5;6] электродами-инструментами с внутренними каналами для подачи рабочей среды, где удаление продуктов обработки путем массовыноса [4] определяет производительность, себестоимость операций, технологические показатели процесса. Такие операции становятся все более востребованы при чистовой обработке полузакрытых каналов с использованием электроабразивного инструмента [7] при неуправляемой подаче жидкости поливом. Для повышения технологических показателей комбинированной обработки требуется создать систему управляемой подачи рабочей среды и конструкции новых инструментов [8] для интенсивного выполнения чистовых операций.
Критерием массовыноса является представленное в [4] неравенство
dmx > dm2 ^
dx _ dx , ( )
где mi - масса продуктов обработки (газообразных, коллоидных, твердых), которая может быть удалена из зоны обработки потоком жидкой (газожидкостной) среды из межэлектродного зазора за время т; m2 - масса продуктов обработки, образующихся за время т в зоне удаления припуска.
При использовании инструмента с профильными каналами для подвода рабочей среды справедливость критерия массовыноса оценивают параметрами течения среды, обычно путем регулирования ее расхода и управлением давлением на входе потока в зону обработки, в том числе для пульсирующего течения [5].
Известны [6] попытки подачи рабочих сред через корпус пористых абразивных кругов, но в этом случае не удалось обеспечить стабильную подачу среды через поры, которые располагаются произвольно по радиусу инструмента и не дают возможности управлять процессом массовыноса при электроабразивной обработке [7]. Проведенные исследования [3] в области использования аддитивных технологий открыли возможность создания нового вида инструмента [8] с каналами, обеспечивающими массовынос и стабильность процесса, возможность одновременной чистовой обработки не-
скольких смежных поверхностей в случае сложнопрофильных каналов в детали с ограниченным доступом инструмента в зону удаления припуска.
Влияние параметров течения рабочей среды на качество поверхности обрабатываемого участка детали
При комбинированной обработке с механическим и химическим воздействием [3; 4; 7] нарушение течения рабочей среды может вызвать ухудшение качества поверхностного слоя и образование местных дефектов, вызывающих брак деталей (рис. 4).
Рис. 4. Выступы и впадины на образце из сплава ВД17 после эрозионно-химической обработки
За счет местного торможения потока рабочей среды в месте закрепления образца в зажиме съем материала стал нестабильным, что вызвало образование местных погрешностей величиной до 0,5 мм (рис. 4). Это следует рассматривать как недопустимую макропогрешность, поэтому требуется перерасчет параметров электрода, корректировка режимов обработки и формы каналов в инструменте.
Методология проектирования каналов для подачи газожидкостных сред
В процессе комбинированной обработки происходит местный нагрев локальной зоны действия импульсов с большим подводом тепла, вызывающим переход в газообразное состояние части рабочей среды [2; 4]. В случае наличия анодной составляющей процесса комбинированной обработки происходят химические реакции, вызывающие поступление в рабочую среду газообразных продуктов (кислорода, водорода, хлора, воздуха и его компонентов), которые могут составлять по [9] до 10-12% по объему. Это следует учитывать при расчете геометрии каналов в инструменте и рассматривать поток как газожидкостную среду, где применимы закономерности газовой динамики
[10]. Целью расчетов по предлагаемой методо-логике является получение в зоне обработки электроабразивным методом скорости течения рабочей среды в диапазоне 25-30 м/с [7] путем формирования требуемой геометрии каналов и параметров течения рабочей среды через корпус инструмента, изготовленный с использованием аддитивных технологий.
По [10] для расчета геометрии каналов с продольным сечением, близким к форме сопла Лаваля, можно использовать энергетическую модель, приведенную в [11] и используемую по законам подобия в технических системах [12]. Тогда повод потенциальной энергии на входе в канал может оцениваться как подпор среды перед входом в инструмент, создаваемый насосом подкачки с мощностью № .
Расчет давления, создаваемого насосом на входе в канал (Рвх), с учетом тепловых явлений в рабочей среде в [10] предлагается проводить путем использования в расчетных зависимостях безразмерных показателей температуры торможения в потоке (0) и на входе в канал (0вх).
Рв = Р
(2)
где Рп - давление на периферии по длине канала; к - соотношение теплоемкостей при постоянном давлении (Ср) и постоянном
с
давлении (Су) в канале (к=^); ^ - состояние среды в критическом сечении канала
(приведенная скорость).
где W]
кр
скорость среды в критическом сечении канала; Хвх - приведенная скорость потока ^^ на входе в канал.
Кинетическая энергия создается за счет центробежных сил от вращения электроабразивного круга с требуемой окружной скоростью на периферии инструмента. Приращение кинетической энергии (Ек) для ускорения потока за счет центробежных сил можно оценить по формуле (3) [10]:
— ——
(3)
где W2, W1 - скорость потока на периферии инструмента и на входе в канал; С — расход рабочей среды.
Для обеспечения на выходе из канала с профилем сопла Лаваля требуемой скорости
потока необходимо рассчитать площадь его сечения на периферии инструмента ^1). По [10]
F1 = FkP 1
2 к+1
1 fc-M
1
к-1
(4)
где Fкр -площадь критического сечения канала в форме сопла Лаваля.
Скорость течения W2 можно найти по расходу Gкр рабочей среды, протекающей через критическое сечение канала при давлении Ркр
'кр
к+1
PkpWkpFkp(j+iyik 11
(5)
Расход среды на выходе из канала можно определить через Gкр по методу подобия [12] с использованием графика на рис. 5 [10], где Р0 - давление на выходе из канала (давление окружающей среды).
Рис. 5. К расчету расхода рабочей среды
По величине расхода рабочей среды и площади сечения можно установить скорость потока на периферии канала.
Проектирование каналов в инструменте при течении через него жидкости
При использовании гидравлической системы с промежуточным баком для слива отработавшей рабочей среды при достаточном его объеме газовая составляющая может стать пренебрежимо малой. Тогда расчет параметров течения и геометрии каналов необходимо выполнять с учетом свойств только жидкости. Для каналов диаметром d средняя скорость течения жидкости Wср по [10] составит
W =^
pÇd '
(6)
где ц - коэффициент динамической вязкости жидкости (рабочей среды); р - плотность; £ -коэффициент сопротивления течению жидкости в канале.
Коэффициент сопротивления (£) может быть определен из справочных материалов или через касательные напряжения на стенках канала (х№) [10]
8 т,,
P*WÏp
(7)
Зависимости (6) , (7) дают возможность по известной величине £ найти Wср для диаметра d круглого канала в инструменте. Используя метод подобия [12], величину £ можно приближенно найти по графику на рис. 6 [10]
через число Рейнольдса (Яе = Р ср ).
Рис. 6. Величина коэффициента сопротивления от Re
Для ламинарного потока в канале (даже переменного сечения) при использовании рис. 6 можно назначать граничное значение Re= 2300.
Аналогичные расчеты по представленной методике могут быть выполнены для каналов некруглого сечения при замене в расчетных зависимостях диаметра круглого сечения на гидравлический диаметр (отношение учетверенной площади сечения к периметру сечения канала). По нему с использованием графиков типа приведенного на рис. 6 устанавливают коэффициент сопротивления и рассчитывают скорость потока жидкости в канале.
Применение аддитивных технологий для изготовления каналов в электродах
Приведенные закономерности по массо-выносу и расчету течения рабочих сред по каналам в электроде позволили проектировать инструменты для комбинированной чистовой обработки, в том числе малоизносные электроабразивные круги нового типа по патенту [8], для изготовления которых применяются аддитивные технологии [3]. На рис. 7 приведен процесс изготовления инструмента с каналами переменного сечения, обеспечивающими подачу в рабочую зону жидкой и газожидкостной среды с возможностью обеспечения массовыноса
за счет управления параметрами течения сред в межэлектродном зазоре.
Рис. 7. Изготовление корпуса электрода для электроабразивной обработки с радиальными каналами переменного сечения
Заключение
1. Расчетные зависимости для описания механизма течения рабочих сред и методы их использования, приведенные в статье, позволили проектировать электроды-инструменты с профильными каналами, обеспечивающими применение технологических режимов для чистовой обработки инструментом с регулируемой подачей сред и выполнением критерия массовыноса продуктов обработки.
2. Приведенные результаты расчета параметров течения рабочих сред через каналы в инструменте позволили расширить область эффективного использования аддитивных технологий и создать новые (на уровне изобретений) инструменты для электроабразивной обработки по методу копирования и высокопроизводительного одновременного профилирования нескольких поверхностей.
3. Доказана возможность использования энергетической модели для расчета потенциальной составляющей энергии от реализации мощности, затрачиваемой на подкачку рабочей среды, и кинетической энергии от вращения инструмента для получения в зоне обработки
требуемой скорости течения жидких (газожидкостных) сред.
Литература
1. Бойко А.Ф. Эффективная технология и оборудование для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий. Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. 314 с.
2. Смоленцев Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки. М.: Машиностроение, 2005. 511 с.
3. Поташникова Н.С., Смоленцев В.П., Поташников М.Г. Аддитивная технология создания инструмента для электроабразивной обработки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2021. Т. 17. № 3 (195). С. 138 - 144.
4. Теория электрических и физико-химических методов обработки. В 2 ч. Ч. I: Обработка материалов с применением инструмента: учеб. пособие / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев и др. Воронеж: ВГТУ, 2008. 208 с.
5. Газизуллин K.M. Электрохимическая размерная обработка крупногабаритных деталей в пульсирующих рабочих средах. Воронеж: Воронежский государственный университет, 2002. 243 с.
6. Справочник технолога /под ред. А.Г. Суслова. М.: «Инновационное машиностроение», 2019. 800 с.
7. Комбинированная электроалмазная обработка инструментальных сталей / А.С. Янушкин, В.Ю. Попов, Е.В. Васильев, А.Ю. Попов. Братск: БрГУ, 2009. 228 с.
8. Пат. №2740682 РФ. Способ электроабразивной обработки и металлоабразивный инструмент для осуществления способа / В.П. Смоленцев, Н.С. Поташникова, Е.В. Паничев, С.С. Юхневич, заявитель и патентообладатель ВГТУ. Заявка 2020109285 от 2.03.2020. Опубл. 19.01.2021. Бюл. № 2.
9. Либов Л.Я., Влазнев Е.И., Сомонов В.И. Установки подачи электролита при электрохимической обработке. М.: Машиностроение, 1981. 120 с.
10. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Изд-во «Наука», 1976. 886 с.
11. Энергетическая модель формирования вибрационных механохимических покрытий / А.П. Бабичев, В.А. Лебедев, В.В. Иванов, Г.А. Прокопей // Упрочняющие технологии и покрытия. 2011. № 5. С. 6-12.
12. Безъязычный В.Ф. Метод подобия в технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2012. 320 с.
Поступила 03.09.2021; принята к публикации 19.10.2021 Информация об авторах
Смоленцев Владислав Павлович - д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: vsmolen@inbox. ru
Поташникова Наталия Сергеевна - аспирант кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: natser_01@mail.ru Стародубцев Игорь Геннадиевич - аспирант кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: VMZ056@yandex.ru
FLOW OF WORKING MEDIA THROUGH THE CHANNELS IN THE BODY
OF THE ELECTRODE-TOOL
V.P. Smolentsev, N.S. Potashnikova, I.G. Starodubtsev
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: we considered the mechanism of flow of liquid and gas-liquid working media through a profile tool for combined processing methods. We present typical parts for which electrodes-tools are applicable with an adjustable supply of the working medium to the processing zone, which ensures the mass removal of processing products from the interelectrode gap. Through the use of additive technologies, we solved the problem of making a tool with internal channels of a calculated variable cross-section, providing a stable supply of a liquid (gas-liquid) medium and mass removal of processing products. We propose a new (at the level of inventions) method and electrode-tool with a controlled feed through the internal channels of the working medium, the parameters of which are calculated taking into account the specifics of finishing electro-abrasive machining according to the pattern of copying the profile of the part. Calculated dependencies for describing the mechanism of flow of working media and methods of their use made it possible to design electrodes-tools with profile channels that ensure the use of technological modes for finishing with a tool with controlled supply of media and fulfillment of the criterion of mass removal of processing products. The presented results of calculating the parameters of the flow of working media through channels in the tool made it possible to expand the area of effective use of additive technologies and create new (at the level of inventions) tools for electro-abrasive processing using the copying method and high-performance simultaneous profiling of several surfaces. The possibility of using the energy model for calculating the potential component of energy from the implementation of the power spent on pumping the working medium and the kinetic energy from the rotation of the tool has been proved to obtain the required flow rate of liquid (gas-liquid) media in the processing zone
Key words: working medium, current, channels, electrode, additive technologies, calculation,electroabrasive processing
References
1. Boyko A.D. "Effective technology and equipment for electroerosive firmware of precision micro-holes" ("Effektivnaya tekhnologiya i oborudovaniye dlya elektroerozionnoy proshivki pretsizionnykh mikrootverstiy"), Belgorod: BSTU, 2010, 314 p.
2. Smolentsev E.V. "Design of electric and combined processing methods" ("Proektirovanie elektricheskikh i kombinirovannykh metodov obrabotki"), Moscow: Mashinostroenie, 2005, 511 p.
3. Potashnikova N.S., Smolentsev V.P., Potashnikov M.G. "Additive technology for creating tools for electroabrasive processing", Strengthening Technologies and Coatings (Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya), 2021, vol. 17, no. 3 (195), pp. 138-144
4. Smolentsev V.P., Boldyrev A.I., Smolentsev E.V. et al. "Theory of electrical and physico-chemical processing methods" ("Teoriya elektricheskikh i fiziko-khimicheskikh metodov obrabotki"), textbook, V. P. Smolentsev, Voronezh: VSTU, 2008, 208 p.
5. Gazizullin K.M. "Electrochemical dimensional processing of large-sized parts in pulsating working media" ("Elektrokhimicheskaya razmernaya obrabotka krupnogabaritnykh detaley v pul'siruyushchikh rabochikh sredakh"), Voronezh State University, 2002, 243 p.
6. Suslov A.G. ed. "Technologist's reference book" ("Spravochnik tekhnologa"), Moscow: Innovative mechanical engineering, 2019, 800 p.
7. Yanushkin A.S., Popov V.Yu., Vasil'ev E.V., Popov A.Yu. "Combined electro-diamond processing of tool steels" ("Kombinirovannaya elektroalmaznaya obrabotka instrumental'nykh staley"), Bratsk: BrSU, 2009, 228 p.
8. Smolentsev V.P., Potashnikova N.S., Panichev E.V., Yukhnevich S.S. "A method of electroabrasive processing and a metalabrasive tool for implementing the method" ("Sposob elektroabrazivnoy obrabotki i metalloabrazivnyy instrument dlya osu-shchestvleniya sposoba"), patent no. 2740682 of the Russian Federation, VSTU, 2.03.20., pub. 19. 0121, bull. no. 2.
9. Libov L.Ya., Vlaznev E.I., Somonov V.I. "Electrolyte supply installations for electrochemical processing" ("Ustanovki podachi elektrolita pri elektrokhimicheskoy obrabotke"), Moscow: Mashinostroenie, 1981, 120 p.
10. Abramovich G.N. "Applied gas dynamics" ("Prikladnaya gazovaya dinamika"), Moscow: Nauka, 1976, 886 p.
11. Babichev A.P., Lebedev V.A., Ivanov V.V., Prokopey G.A. "Energy model of the formation of vibrational mechanochemical coatings", Strengthening Technologies and Coatings (Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya), 2011, no. 5, pp. 6-12.
12. Bez"yazychnyy V.F. "Similarity method in mechanical engineering technology" ("Metod podobiya v tekhnologii mashinostroyeniya"), Moscow: Mashinostroenie, 2012, 320 p.
Submitted 03.09.2021; revised 19.10.2021
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
Nataliya S. Potashnikova, graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: natser_01@mail.ru
Igor' G. Starodubtsev, graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: VMZ056@yandex.ru
