Расчет параметров струи при комбинированной гидроабразивной обработке

УДК 621.9.047

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СТРУИ ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ

ОБРАБОТКЕ

О.Н. Кириллов, В.П. Смоленцев

В статье представлен анализ возможной траектории движения струи в сочетании с анодным растворением поверхностного слоя при финишной гидроабразивной обработке геометрически сложных поверхностей, например лопаток двигателей летательных аппаратов. Для этого используется объемная модель профиля пера и переходные участки лопаток реактивных двигателей, турбонасосных агрегатов ракетных двигателей и других видов турбомашин. Анализ показал, что предложенный комбинированный процесс является наиболее эффективным для деталей с ограниченным доступом в зону действия инструмента, где разработанный метод струйной обработки имеет значительные преимущества.

Создан математический аппарат для автоматизированного управления струей при обработке сложнопрофильных участков, что позволило сформировать траектории, описывающие плавные изгибы, заданные табличным методом (по точкам).

Анализ возможностей чистовой струйной обработки выполнен с учетом влияния на точность профиля допущений, принятых при разработке программного продукта. Показано, что при использовании современного оборудования для комбинированной струйной гидроабразивной обработки удается обеспечить высокую точность, ускорить процесс технологической подготовки производства и расширить область эффективного применения комбинированной гидроабразивной обработки на наукоемкие изделия современной техники

Ключевые слова: струя, гидроабразивная комбинированная обработка, программный продукт, математический аппарат, траектория движения

Введение

Одним из технологических методов снижения негативного силового воздействия лезвийного инструмента на эксплуатационные характеристики изделий является

разработанный в последние годы метод гидроабразивной резки материала [1; 2; 3]. В процессе развития метода выявилась необходимость более точного контроля положения и управления струей. Решение такой задачи становится возможным путем создания программного продукта,

реализуемого на современном оборудовании для комбинированной обработки. За счет этого удается автоматизировать наиболее

трудоемкую часть процесса - технологическую подготовку производства.

На рис. 1 показана схема рабочей головки для гидроабразивной обработки металлической детали воздействием струи с наложением электрического поля.

Как видно из рис. 1 обработка (например разделение) материала детали 4 происходит при комбинированном воздействии струи 2 с абразивными зернами (гранулами) 1 и анодного растворения продуктов обработки под действием источника постоянного тока 6 струей 5. Наложение электрического поля

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

обеспечивает увеличение скорости

электрохимического растворения поверхности участка разделения детали, уменьшает величину дефектного слоя и шероховатость поверхности [4].

Рис. 1. Рабочая головка для подачи рабочей струи при гидроабразивной обработке: 1 - абразивные зерна; 2-струя

жидкости; 3-гидроабразивная струя; 4-обрабатываемая деталь; 5-металлическая головка корпуса; 6-источник тока

Геометрия струи при комбинированной гидроабразивной струйной обработке

На рис. 2 показана схема комбинированной гидроабразивной обработки

геометрически сложных поверхностей, например профиля пера лопатки реактивного двигателя

Рис. 2. Схема комбинированной гидроабразивной обработки: 1 - сопло для подачи рабочей среды; 2 - струя рабочей среды; 3 - заготовка (анод); 4 - источник постоянного тока; 5 - канал подачи токопроводящих абразивных частиц (гранул) и жидкости; Lc - длина струи; а - угол атаки струи

На рис. 2 представлена схема комбинированной обработки, где съем происходит с участием электрического поля, создаваемого источником тока 4, и струи 2 длиной Lc.

Зависимость Lc по [5], рассчитывается по формуле:

Ьс = Kcdг

1 +

1

Л

л/Ь7 л

ж

м.

где Кс - численный коэффициент, учитывает свойства рабочей среды. В [5] рекомендуется Кс = 14,8;

dг - эквивалентный диаметр гранул абразива, мм;

Ьл - критерий Лапласа; Ж - критерий Вебера; Мп - критерий подобия.

Критерий Лапласа (Ьл) показывает

соотношение сил вязкости и поверхностного натяжения. По [5]:

А Ус°с

Ь =

&

где Dc - диаметр сопла на срезе форсунки,

мм;

Ус - средняя плотность рабочей среды в струе, кг/м3;

(Ус - коэффициент поверхностного натяжения рабочей среды, Н/м;

& - коэффициент динамической

вязкости рабочей среды, Па* с.

Критерий Вебера учитывает величину скорости струи и поверхностное натяжение среды в струе.

V2 у D

Ж = с г_-

где Ус - скорость струи; уг - плотность материала гранул абразива, кг/м3.

Тогда критерий подобия выражается через соотношение плотностей материала гранул и рабочей среды

Мп = У . Ус

Длина Ьн нераспавшейся части струи, где

имеется возможность размерной обработки, по [5] составляет

г \

Ь = Ксё,

1 + -

1

V

Условием является

V2 Б у

с с / с

Бс Ус°с & ,

для размерной обработки

Ьс < Ьн .

Здесь длина пути от среза сопла форсунки до места обработки заготовки Ьс определяется при проектировании технологического процесса по чертежу детали.

Для управления размерным съемом, под действием струи с твердым абразивом, необходимо определить половину угла распыла струи ( а ), который зависит от давления струи (до давления р=100 МПа). Если принять его на участке Lc постоянным, то по [5]:

а = аг^ С ЬЬС Ж ё М'

где С - экспериментальный коэффициент, учитывает условия течения струи на участке от среза сопла до точки обработки заготовки;

Ь, ё,с - показатели степени, учитывают динамические данные струи и свойства рабочей среды.

В [5] представлены результаты исследований течения струи при давлении до 100 МПа для форсунок имеющих диаметр сопла на срезе в диапазоне от 2,3 мм до 10,4

мм, при 4 = 300 - 1350; W =- 133 - 20000; М = - 2,8 - 0,0095. Получено С = 0,112; Ь = 0,7; d = 3,2; с = 1,8.

Вследствие этого, при малых давлениях (до 100 МПа), на конечном этапе размерной обработки вектор струи (положение оси сопла) должен быть повернут относительно обрабатываемой поверхности на угол а , рассчитываемый по (6).

При размерной обработке закрытых, труднодоступных для рабочей струи участков, необходимо обеспечить прохождение струи без касания ею необрабатываемых частей заготовки. Это осуществимо, если известен

диаметр струи (££) в зоне обработки, который

определяется через площадь сечения сопла [4].

Критерием обеспечения показателей чистовой обработки без нарушения точности необрабатываемых участков является:

D * L,

где Кп - расстояние между противолежащими

сторонами обрабатываемого участка заготовки, одна из которых планируется для обработки.

Если в (7) условие не выполняется, то

необходимо уменьшить размер Кс или ££.

На интенсивность комбинированного гидроабразивного удаления припуска (скорость

V) влияют параметры электрического поля и расстояние Кс.

^ = КэУнЬс 03,

где Кэ - коэффициент, учитывает изменение

скорости съема припуска, содержащего шаржированный слой, анодного растворения материала в зоне обработки. Для деталей из

стали Кэ = 1,3 - 1,5;

\ - скорость съема припуска на

ближайшем к соплу обрабатываемом участке заготовки. Рассчитывается аналогично положениям [6] для неподвижных электродов.

Давление струи при комбинированной обработке

В [5] приведены теоретические и экспериментальные исследования механизма комбинированной обработки участков,

удаленных от среза сопла до 90 мм. Показано, что в рассматриваемых случаях может использоваться давление до 100 МПа. Однако, для повышения производительности,

необходимо повышать давление струи до 450 МПа, что вызывает дополнительные энергозатраты и увеличивает себестоимость операции.

По [7] сила действия струи Рс установившегося потока на твердую стенку под углом р зависит от параметров, изменяющихся в широких пределах. Здесь качественная картина процесса хорошо поясняется зависимостью

P = Mvc sinр =Qcycvc sinр,

где M- масса рабочей среды, перемещаемая через форсунку в единицу времени (расход жидкости), г/с;

Q - объемный расход рабочей среды,

м3/с;

Гс - плотность рабочей среды, г/см3;

Vc - скорость рабочей струи, м/с;

Р - угол атаки рабоч ей струи, гр ад .

Струя служит инструментом как для гидроабразивной обработки, так и для анодного удаления припуска, поэтому, она рассчитывается из условия одновременного воздействия обеих факторов и давление для анодного процесса принимается как расчетная величина, полученная для гидроабразивной обработки.

При расчете параметров струи, при обработке сопрягаемых участков или кромок лопаток турбонасосных агрегатов,

компрессоров, шнеков с переменным шагом, центробежных колес высокоскоростных насосов, камер сгорания и других деталей с пространственным профилем и сложной геометрической формой, должна учитываться форма локальных криволинейных участков и сопряжений деталей.

Численные значения силы рабочей струи рассчитывают по методике, приведенной в [7]

p )2+

где V - скорость рабочей струи до встречи с поверхностью обрабатываемого участка;

v 2 - скорость потока рабочей среды после удаления от места обработки заготовки.

Автоматизация расчета параметров перемещения струи

Скорость удаления припуска с деталей, имеющих участки кривых с постоянными параметрами, определяется (среди прочих факторов) положением и сечением струи. По [4] при значительном или неравномерном припуске на заготовке (свойственно переходным участкам и кромкам лопаток турбин и компрессоров) необходимо создавать уравнения регрессии для численных решений, при которых обеспечивается требуемая точность обработки таких деталей.

Из [7;8] можно установить кусочногладкие приращения (11) по координатам точки

обработки (АХ; ЛY; А2) при радиусе Ц кривизны в месте обработки, угле наклона касательной к профилю детали (а ) и закрутке профиля (#),заданного в чертеже детали по осям х,у^ в приращениях.

АХ =

R^xx cos a RCca'xz'x sin а 1 —  1

_

AY _ Rc(в)а'х cosaAx;

Ax;

AZ =

, Rczx z"xx cos a Rca'x sin a

Zx++Ы2Т

Ax.

Большую технологическую сложность представляет обработка поверхностей, заданных табличным методом. К ним относится профиль пера крупных лопаток компрессоров и турбин с большой закруткой и их кромки.

При постоянном угле а наклона касательной к профилю обрабатываемой поверхности в точке контакта по аналогии с [8] положение точки на обрабатываемом участке может быть представлено в виде:

x , R cos а

х _ j c j

и ,, —a

'+1,j ',j

yfl

+ a i+1,j + a i,j I;

ai+1,J—a, гдеai+1 — угол наследующей строке;

Y,j _ yt;

Zi,j _axj + yjtgai+ + di,j ,

где D,j _ d,J + rc cos a^ 1 + a\j . Здесь Ц, j -дивергенция (расходимость) струи по ее оси на срезе сопла; d',j - дивергенция в точке

контакта струи при ее перемещении вдоль строки ; i, j. единичные векторы

В случае обработки кромки лопатки с большой закруткой угол a в пределах одной строки может изменяться. Тогда расчет

положения оси струи выполняется в приращениях, как показано в

ЦсС08а / \

АХ,.,. = А^,.,.--- [аи + а+и)+

'', j ', j

2

Rc cosai+1,j ( \

+-2-(ai,J + ai+1,J);

AYi,j _ Rc cosai,JAai,J ;

AZi J _ at АХи + tgahj AYtJ + _

+ Rc (cosa^, j — cosai j — cosai—lj + a2,,

Погрешность процесса расчета перемещения струи при комбинированной обработке

Погрешность перемещений струи по поверхности, заданной системой точек, зависит от приращения по координатам (А, Ау, Аг) и рассчитывается с учетом допуска на отклонение геометрии расчетного участка от заданного на чертеже. Как следует из [8] допустимая погрешность аппроксимации участков сопряжения не превышает 20 мкм. Применительно к координатной сетке при цене импульса 100 мкм погрешность не превышает несколько микрон, что значительно ниже задаваемого допуска на профиль пера.

Заключение

Выполненные расчеты и исследования положения струи при комбинированной гидроабразивной обработке сложнофасонных поверхностей деталей типа профиля пера лопаток реактивных двигателей позволили определить основной параметр процесса-давления струи при анодном удалении припуска. Исследования показали, что сила действия струи, воздействующей при комбинированной обработке на

сложнопрофильную поверхность, на несколько порядков ниже, чем ранее использовалось для гидроабразивной обработки.

Рассмотрено формирование геометрии и параметров струи, что позволило уточнить границы обработки действием струи с анодным растворением припуска и за счет этого повысить точность получаемого профиля, в том числе при сложной геометрической форме сопрягаемых участков обрабатываемой поверхности детали.

Литература

1. Кириллов, О.Н. Повышение качества поверхностного слоя деталей гидроабразивной обработкой с локальным анодным растворением / О.Н. Кириллов, Е.В. Гончаров, В.И. Котуков // Вестник Воронежского государственного технического университета.- 2013.- Т. 9.- №6.1.- С. 64 - 66.

2. Кириллов, О.Н. Комбинированное гидроабразивное с локальным электрохимическим растворением удаление заусенцев / О.Н. Кириллов, Е.В. Гончаров, В.И. Котуков // Вестник Воронежского государственного технического университета.- 2014. -Т.10. -№1.- С. 24-26.

3. Сафонов, С.В. Поддержание качества поверхностного слоя изделий в процессе их очистки от загрязнений / С.В. Сафонов, В.П. Смоленцев, В.И. Котуков // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2014. №7. С.21-23.

4. Смоленцев, В.П. Комбинированное разделение заготовок гидроабразивным методом / В.П Смоленцев, Е.В. Гончаров, В.И. Котуков // Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструменты. М.: Спектр, 2014.Т. 3. С.118-172.

5. Кузовкин, А.В. Размерное формообразование сложнопрофильных деталей с применением твердого токопроводящего наполнителя / А.В. Кузовкин, В.П. Смоленцев. Воронеж: ВГТУ, 2000. 176 с.

6. Смоленцев, Г.П. Теория электрохимической обработки в нестационарном режиме / Г.П. Смоленцев, И.Т. Коптев, В.П. Смоленцев. Воронеж: ВГТУ, 2000. 103 с.

7. Справочник металлиста. В 5 т. / Под ред. С.А. Чернавского и В.Ф. Резникова. М.: Машиностроение, 1976. Т.1. 768 с.

8. Юнусов, Ф.С. Формообразование сложнопрофильных поверхностей шлифованием/ Ф.С. Юнусов. М.: Машиностроение, 1987. 248 с.

Воронежский государственный технический университет

CALCULATION OF JET PARAMETERS IN COMBINED HYDROABRASIVE PROCESSING

O.N. Kirillov1, V.P. Smolentsev2

'Full Doctor, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: kirillov.olli@yandex.ru 2Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: vsmolen@inbox.ru

The paper presents the analysis of a possible trajectory of the jet movement in combination with anodic dissolution of the surface layer during the final hydroabrasive treatment of geometrically complex surfaces, for example, aircraft engine blades. To do this, a volumetric model of a blade airfoil and transition areas of jet blades, turbo-pump units of rocket engines and other types of turbomachines is used. The analysis has shown that the proposed combined process is most effective for parts with limited access to the tool working area where the developed jet machining method has significant advantages.

A mathematical apparatus for automated control of the jet was developed for complex sections processing, which made it possible to form trajectories circumscribing smooth bends given by the table method (by points).

The analysis of the possibilities of finishing jet machining is performed taking into account the influence of the assumptions made when developing the software product on the accuracy of the profile. It is shown that with the use of modern equipment for combined jet hydroabrasive processing, it is possible to provide high accuracy, to accelerate the process of technological preparation of production, and to expand the area of effective application of combined hydroabrasive processing onto science-intensive products of modern technology

Key words: jet, waterjet combined processing, software, mathematical apparatus, trajectory.

References

1. Kirillov O.N., Goncharov E.V., Kotukov V.I. "Improvement of surface quality of parts by hydroabrasive treatment with local anodic dissolution", The Bulletin of Voronezh State Technical University, 2013, vol. 9, no.6.1, pp. 64 - 66.

2. Kirillov O.N., Goncharov E.V., Kotukov V.I. "Combined hydroabrasive burr removal with local electrochemical dissolution", The Bulletin of Voronezh State Technical University, 2014, v.10, no.1, pp. 24-26

3. Safonov S.V., Smolentsev V.P., Kotukov V.I. "Maintaining the quality of the surface layer of products when cleaning from contamination", High technology in mechanical engineering (Naukoyemkie tekhnologii v mashinostroenii), 2014, no. 7, pp. 21-23

4. Smolentsev V.P., Goncharov E.V., Kotukov V.I. "Combined separation of blanks by the hydroabrasive method", Progressive engineering technologies, equipment and tools (Progressivnye mashinostroitel'nye tekhnologii, oborudovanie i instrumenty), Moscow, Spektr, 2014, vol. 3, pp.118-172

5. Kuzovkin A.V., Smolentsev V.P. "Dimensional shaping of complex profile parts with the use of a solid current-carrying filler" ("Razmernoe formoobrazovanie slozhnoprofil'nykh detaley s primeneniem tvyerdogo tokoprovodyashchego napolnitelya"), Voronezh, VSTU, 2000, 176 p.

6. Smolentsev G.P., Koptev I.T., Smolentsev V.P. "Theory of electrochemical processing in a nonstationary regime" ("Teoriya elektrokhemicheskoy obrabotki v nestatsionarnom rezhime"), Voronezh, VSTU, 2000, 103 p.

7. Chernavskiy S.A., Reznikov V.F. "Metalist's handbook" ("Spravochnik metalista"), Moscow, Mashinostroenie, 1976, vol.1, 768 p.

8. Yunusov F.S. "Forming of complex profile surfaces by grinding" ("Formoobrazovanie slozhnoprofil'nykh poverkhnostey shlifivaniem"), Moscow, Mashinostroenie, 1987, 248 p.