Обработка армированных заготовок из алюминиевых сплавов

УДК 621.9.047.002.2

ОБРАБОТКА АРМИРОВАННЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Ю.В. Трофимов

В работе представлены результаты исследований по обработке заготовок-матриц из алюминиевых сплавов. Метод формообразования основан на использовании оригинального подхода - избирательного растворения технологической арматуры в ультразвуковом поле. Окончательная обработка заготовок проводится на двухшпиндельных фрезерных станках, для которых разработаны карты технологической стабильности

Ключевые слова: алюминиевый сплав, технологическое армирование, двухшпиндельное фрезерование

Современное машиностроение предполагает широкое применение различных алюминиевых сплавов. Объем деталей из алюминия постоянно увеличивается и в ряде отраслей составляет более 90% общей номенклатуры. Постоянные требования потребителей по совершенствованию весовых и прочностных характеристик, надежности и компактности, требуют внедрения эффективных, т.е. комплексных методов обработки с

минимальным количеством технологических переходов и оборудования.

Обработка заготовок - матриц с установленной металлической формирующей арматурой, первоначально созданная в ВПИ (ВГТУ) для обработки диэлектрических материалов, обладает рядом преимуществ перед традиционными технологическими методами [1]. В ходе исследования процесса получения глубоких каналов в керамиках и твердых сплавах удалось доказать, что при ультразвуковой интенсификации анодного растворения арматуры возможна обработка отверстий с минимальным диаметром 8-

10 мкм при соотношении глубины к диаметру более 800:1.

Важное значение имеет окончательная обработка заготовок-матриц, которая может производиться механическими или

электрофизикотехническими методами. В

настоящий момент для подобных изделий применяют, в основном, механическую обработку. Обработка алюминиевых сплавов на

одношпиндельных станках достаточно хорошо изучена, но в ряде случаев она не обеспечивает требуемой производительности и требует переустановки заготовок, что нежелательно. При необходимости окончательной обработки

параллельных или коаксиальных поверхностей, возникновение несбалансированных силовых участков приводит к появлению трещин на сформированных поверхностях или их

искривление

Это явилось основанием для исследования возможностей двухшпиндельных станков,

Трофимов Юрий Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел.89036546968

горизонтальной и вертикальной компоновки, которые отличаются более сбалансированным силовым полем в технологическом пространстве. Анализ современных видов оборудования, проведенный автором [2] , показал, что наиболее подходящими типами машин являются токарные многофункциональные станки с противошпинделем и двухшпиндельные фрезерные станки -обрабатывающие центры (ОЦ).

Проведение сравнительной обработки на оборудовании данных типов позволило установить, что они обеспечивают высококачественную обработку матриц. Однако объем наладочных и подготовительных работ для обработки конкретного изделия значителен, причем для токарных станков он превышает аналогичный для фрезерных в 2,5-3 раза.. Очевидно это связано с высокой собственной чувствительностью оборудования и

взаимовлиянием двух шпинделей на распределение поля сил в технологическом пространстве. В работе [2] было показано, что разработка демпфирующих устройств различной конструкции и управление процессом резания, может обеспечить комплексную, эффективную окончательную обработку матриц.

Таким образом, для обеспечения комплексной технологии обработки матриц из алюминиевых сплавов, был выбран способ окончательной обработки посредством двухшпиндельного фрезерования

Взаимовлияние двух шпинделей в процессе резания, в ряде случаев приводит не к увеличению, а значительному снижению производительности, а сам процесс не удается теоретически описать на основе известных выражений, успешно способствующих расчету демпфирующих систем для одношпиндельных станков. Решение данной проблемы возможно только посредством разработки физических и математических моделей процесса двухшпиндельной обработки, карт стабильности

резания, рекомендаций по проектированию оборудования, технологий и конструкций

демпфирующих систем. Впоследствии это

позволяет решить актуальную задачу внедрения окончательной обработки матриц .

Объединение пары металлов в армированную заготовку производится на основе анализа [3]

сравнительных поляризационных кривых (рисунок).

Сравнительные поляризационные кривые:

1 - матрица, 2 - арматура, 3 - исследуемая область потенциалов

Наличие области потенциалов, которая обеспечивает пассивное состояние поверхности матрицы при активном растворении арматуры, позволяет сделать заключение о возможности технологического армирования.

Интенсифицирующее воздействие

ультразвукового поля при формообразовании в электропроводящих матрицах должно

обеспечивать ускорение растворения арматуры, подачу электролита в полости большой глубины и, совместно с технологическими приемами

окончательной обработки, выполнения

качественно-точностных требований к деталям.

Номенклатура материалов матриц и арматуры определялась на основе анализа реальных производственных деталей. Порошковые матрицы изготавливались из сплавов АК4-1, АД31, АВ, АК6, В92, В95, Д16, АМг3, АМг6 . Для арматуры применялись медь, латуни, нихром, сталь, вольфрам, молибден.

Получение поляризационных кривых и

обработка арматуры проводились в щелочных NaOH,KOH и нейтральных электролитах различной концентрации.

Экспериментальные образцы изготавливались на основе традиционных технологии производства порошковых заготовок.

Проведение экспериментов на

двухшпиндельных станках проводилось на базе фрезерного станка -обрабатывающего центра (ОЦ) Chiron DZ 12 K W(ФРГ). Использовались торцевые и концевые фрезы с числом режущих кромок от 2 до 5. Материалы режущей части твердые сплавы групп ВК,ТК синтетический алмаз. ОЦ оснащался пассивными или активными демпфирующими устройсивам.

Амплитудно-частотные и амплитуднофазовые характеристики станка исследовались с помощью экспериментальной установки, включающей источник динамической силы

(актуатор), тензорезистор для измерения усилия, датчик перемещения (индуктивный, релятивный) и трехкоординатные датчики ускорения

(пьезокварцевые, абсолютные). В качестве актуаторов применялись гидравлические и пьезокварцевые источники переменного усилия, а также импульсные кварцевые молотки. Автором были написаны тексты управляющих программ на основе известных пакетов Matlab/Simulink.

Результаты испытаний, с применением натурных образцов при фрезеровании на различных режимах, позволили сбалансировать работу системы ОЦ - активный или пассивный демпфер-торцевая фреза - стол-заготовка. Введенные в объем программы, предварительно определенные карты стабильности, позволили вести производительную обработку при быстрой смене режимов. Экспериментальная установка на аппаратурной базе HP, KIAG-Swiss, Texas Instruments снабжена гидравлическим

приспособлением нагружения шпинделя. Она позволяет получать амплитудно-частотные диаграммы колебаний, имитирующих реальные условия работы режущих кромок. Затем данные диаграммы используются как основа для технологических карт стабильности.

Для оценки формообразования полостей были выбраны следующие критерии: технологический (отношение глубины к минимальному размеру сечения канала, точность обработки, качество внутренних и наружных поверхностей, чистота каналов, кавитационная стойкость),технико-экономический (производительность, себестоимость, приведенные энергозатраты), эксплуатационный (химическая стойкость). Основным критерием при оценке производительности механической

обработки принималась максимально возможная глубина резания.

Изучение поляризационных кривых материалов арматуры и матрицы позволило установить, что для всех выбранных материалов матриц возможно технологическое армирование.

Растворение арматуры в ультразвуковом поле (УЗП) проходит при более высоких плотностях тока, чем без УЗП. в 1,4-5,2 раза.

Для меди и латуни увеличение составляет 1,82,3 раза при смещении потенциала в область более отрицательных значений на 0,15-0,2 В. Кавитационное разрушение пленки CuCl на поверхности анода расширяет диапазон активного растворения. При этом достигается равномерность растворения по площади сечения арматуры. Однако для сплавов Д16,АК4-6 наиболее оптимальным является применение стальной или нихромовой арматуры, обладающих большей устойчивостью к образованию электролитических пар внутри ячейки. Результаты исследований анодных процессов для некоторых арматурных материалов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты исследований анодных процессов

Материал арматуры Электролит Относительное увеличение плотности тока УЗП / без УЗП Значение пикового потенциала

Вольфрам NaOH 2,5 1,2

20% 2,5 1,1

15% 10% 1,6 1,0

Молибден NaOH 1,6 0,8

20% 15% 1,6 0,8

Медь NaCl 15% 1,8 0,6

25% 1,9 0,5

Латунь NaCl 15% 1,8 1,2

20% 2,2 1,3

Нихром NaCl 10% 1,9 2,0

Х20Н80 NaCl 15% 2,4 2,2

Сталь NaCl 15% 2,0 0,4

Х13 20% 2,2 0,5

В результате проведенных исследований получены оптимальные комбинации

электропроводящих заготовок, с локализацией анодного растворения на границе арматуры. Некоторые примеры материалов матриц, арматуры, потенциалы области растворения и параметры УЗП в схемах без защитных элементов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Области растворения и параметры УЗП

Материал матрицы Материал арматуры Электролит и потенциалы области растворения

В 92 Л63 15% NaCl (0,7-1,3) 18 / 6

АМг3 Х20Н80 10% KCl (0,7-1,5) 19 / 7

Д16 Х15Н60 15% NaCl (0,5-1,4) 18 / 9

АМг6 Х20Н80 25% NaCl (0,6-1,5) 19 / 6

АК4 сталь2Х13 20% NaCl (0,6-1,4) 18 / 8

В95 Х20Н80 10% KCl (0 -1,65) 18 / 8

Окончательная двухшпиндельная

обработка заготовок-матриц производилась, исходя из рассчитанных и верифицированных карт стабильных состояний станка. При этом были выявлены параметры процесса, при которых производительность обработки ограничивалась наступлением нестабильного состояния, а не максимальной мощностью на шпинделе. Для повышения стабильности процесса и, следовательно, реализуемой производительности были применены специальные, характерные исключительно для двухшпиндельных станков, настройки процесса, на базе разработанного программного обеспечения и вспомогательные

демпфирующие устройства. Так, было установлено, что оптимальное позиционирования режущих кромок инструмента по углу повышает границу стабильности процесса. На отдельных скоростях вращения шпинделя глубина резания повышается на величину до 300%. В свою очередь оптимизация параметров регулирования приводов рабочих и вспомогательных движений позволяет достичь некоторого повышения стабильности обработки до 25%. Проведенные исследования показали значительное повышение глубины резания до 400% при оптимизации процесса с помощью демпфирующих устройств.

Разработанная и отъюстированная

гибкотельная модель станка позволяет вести расчет динамического поведения структуры с учетом влияния контуров регулирования приводов. Данная модель позволяет эффективно подбирать параметры вспомогательной демпфирующей системы(ВД). ВД моделируется как составная часть модели станка с параметризацией интерфейсов контактных областей компонентов обрабатывающего центра.

Исследованы были два возможных расположения ВД и разработаны соответствующие конструкции демпферов.

Расчет динамических характеристик показал, что наилучшее демпфирование колебаний достигается установкой демпфера наиболее близко к зоне резания. Для данного демпфера был проведен оптимизационный расчет параметров жесткости резиновых элементов. Обеспечено демпфирование точки резонанса при характерной частоте 685 Гц благодаря наложению механической связи между корпусами шпинделей. По результатам модального анализа при данной частоте корпуса шпинделей совершают встречное колебательное перемещение в противофазе.

Карты стабильности окончательной обработки матриц рассчитывались на основе модели двухшпиндельной обработки. Результаты расчетов достаточно адекватно описывают реальную кривую границы стабильности процессов. Некоторые отклонения в значениях рассчитанной границы резания объясняются нелинейной зависимостью динамической силы резания от приведенного коэффициента силы резания.

Типовые технологические процессы обработки состоят из взаимосвязанных этапов: получение

заготовок - уточнение технологических режимов -обработка - контроль.

Порошковые армированные заготовки

производятся на основе традиционных методов. Установка металлической арматуры выполняется на стадии формования. Определенные трудности на этом этапе может вызвать целостность арматуры внутри матрицы. Предложены специальные способы формования, которые не вызывают внутренних повреждений или разрывов арматуры, что особенно важно для профилей диаметром менее 0,1 мм.

Технологическое оборудование выполнялось на базе ультразвуковых станков. Оно

обеспечивали передачу ультразвуковой энергии в объем электролита или через ступенчатый концентратор в локализованную рабочую область.

В ряде случаев технологические процессы должны включать предварительный контроль режимов растворения арматуры в

электропроводящих матрицах. Это связано с

наличием медной фазы сплава, возможным наличием примесей в составе материалов и нормированными отклонениями химического состава

Рабочие режимы обработки были получены на экспериментальных установках путем транспонирования результатов исследования способов локализации растворения на внешней границы арматуры (табл. 3).

Таблица 3

Области растворения и параметры УЗП

Материал матрицы Материал арматуры Электролит и потенциалы области растворения

В92 Л63 15%NaCl (0,71,3) 18 / 6

АМг3 Х20Н80 10%KCl (0,71,5) 19 / 7

АК4 сталь2Х 13 20%NaCl (0,61,4) 18 / 8

Были определены технологические параметры процесса фрезерования при окончательной обработки матриц для указанных материалов: В92 - частота вращения шпинделя 8000-9000 об/мин, максимальная глубина резания 9,5 мм, подача 0,25 мм/зуб; АМг3 и АК4 соответственно 55006500/5000-6000, 8,0/11,0 и 0,4/0,3. Для

производственных задач двухшпиндельной обработки был разработан пакет прикладных программ по внутренней диагностике процесса резания и управления исполнительными движениями станка.

Типовой маршрутный комплексный технологический процесс получения изделий включает следующие операции: 1- заготовительная -получение исходного порошка; 2 -заготовительная -формование и установка арматуры, сушка, 3 -формование; 4 - обработка - установка

токоподвода, растворение арматуры, промывка в объеме электрохимической ячейки; 5-промывочная -промывка матрицы в УЗП; 6-контрольная -контроль матрицы; 7 - выбор и окончательный расчет демпфирующего устройства, на основании данных о материале заготовки, чертежа изделия, материале режущей кромки инструмента и их количества и т.д.8 - разработка карты стабильности для конкретной задачи обработки, 9 -

корректировка управляющей программы,

посредством внесения дополнений из карты стабильности 10- окончательная обработка матрицы,

11 - контроль детали.

Анализ современных технологических проблем на предприятиях различных отраслей машиностроения позволяет сделать заключение, что внедрение разработанных технологий может быть эффективно и комплексно осуществлено на предприятиях автомобильной и авиационной промышленности.

Литература

1. Трофимов В.В., Смоленцев В.П., Трофимов В.Т. Комбинированные технологические методы обработки и испытаний / Воронежский гос. техн. ун-т. Воронеж, 1997. 219 с. - Деп. в ВИНИТИ 15.04.97, Н1253-В97.

2. Трофимов Ю.В. Применение двухшпиндельных обрабатывающих центров//Бурение и нефть.-2008.-№5.-С.46-48.

3. Патент РФ №22007321 МКИ В23Н 5/06, 3/00

Способ комбинированной обработки поверхностей в армируемых электропроводящих материалах/

В.Т.Трофимов, В.В.Трофимов, Ю.В.Трофимов.- Опубл. 2003, Бюл.№18

Воронежский государственный технический университет MACHINING OF ALUMINUM ALLOY WORKPIECIES WITH INTEGRATED ARMATURE Yu. V. Trofimov

The article presents the results of search on the machining of aluminum alloy matrix - workpiecies. The form generation is based upon a peculiar approach of selective dissolution of technological armature in ultrasonic field. The finishing is performed on double - spindle milling machines with preliminary calculation of stability charts

Key words: aluminum alloy, technological armature, double - spindle milling