Проектирование комбинированных процессов модификации поверхностного слоя типовых деталей

УДК 681.9.047

Машиностроение и машиноведение

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ТИПОВЫХ ДЕТАЛЕЙ

С.Н. Григорьев, С.В. Сафонов, В.П. Смоленцев

Рассмотрены характерные примеры применения технологических приемов для достижения требуемых эксплуатационных характеристик базовых деталей, работающих в нагруженных узлах изделий при неблагоприятных условиях воздействия агрессивных сред, тепловых потоков, импульсных нагрузок. Приведены критериальные оценки полученных результатов от разработки и применения комбинированных методов модификации поверхностного слоя.

Проведенные в последние десятилетия исследования показали, что развитие проблемы идет в следующих основных направлениях:

- с модификацией свойств без удаления припуска с целенаправленным комбинированным воздействием на поверхностный слой. Это, прежде всего, тепловые, механические, химические процессы, электромагнитные воздействия, сочетание которых в единой комбинированной технологии позволяет придать деталям повышенные эксплуатационные характеристики. В процессе модификации могут формироваться нанопленки с толщиной, не оказывающей влияния на изменение размеров изделия;

- с удалением части поверхностного слоя изделия до достижения материала, обладающего требуемыми эксплуатационными свойствами;

- с наращиванием слоев из материалов с особыми свойствами с монолитной структурой, где эксплуатационные свойства обеспечиваются путем перенесения на деталь (в том числе из других видов материалов) требуемых характеристик (износостойкость, жаростойкость и др.) к изделию через параметры наносимого покрытия. Типовым представителем такой технологии является электроэрозионное легирование, которое в последние годы стало широко использоваться в виде технологии восстановления геометрии деталей с наращиванием слоев толщиной более 1 мм. Это дает основание утверждать, что такой процесс становится частью технологии прототипирования. Здесь достигается принципиально новый результат, устраняющий основной недостаток процесса прототипирования -нестабильность прочностных характеристик, т.к. при нанесении покрытия свойства базовой детали не нарушаются, а прочность слоя обеспечивается применением адаптивных комбинированных процессов, как правило, с наложением электрического поля;

- с нанесением слоев, включающих гранулы токопроводящих и диэлектрических материалов (например, керамики, абразива и др.). Это расширяет возможности разработчиков по созданию современной техники, что также актуально особенно для ведущих отраслей отечественного машиностроения: изделий авиационной, космической техники, ремонта транспортных средств и др.

Ключевые слова: комбинированные процессы, технология, формирование поверхностного слоя, модификация, эксплуатационные показатели

Введение

Анализ влияния многолетних исследований традиционных и новых технологических процессов на повышение эксплуатационных показателей деталей показывает, что требуется использовать не только имеющиеся методы обработки, но и целенаправленно комбинировать их в единый технологических процесс, учитывающий условия эксплуатации деталей в изделии [1, 2]. При модификации поверхностного слоя можно придать объектам нужное сочетание эксплуатационных свойств, которые неосуществимы при индивидуальных

Григорьев Сергей Николаевич - МГТУ (СТАНКИН), д-р техн. наук, профессор, тел. 8-499-972-94-00, e-mail: rector@stankin.ru

Сафонов Сергей Владимирович - ВГТУ, канд. пед. наук, профессор, тел. 8(473)246-29-90, e-mail: safonov@vorstu.ru

Смоленцев Владислав Павлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-903-655-99-70, e-mail: vsmolen@inbox.ru

технологических воздействиях, или такие процессы оказываются неэффективными. Примером таких воздействий является химическое и электрохимическое изменение слоя материала, обеспечивающее получение деталей с новыми свойствами, например, с использованием легкой основы из легких сплавов с твердым покрытием из чугуна, обладающего высокой твердостью и износоустойчивостью, в том числе при повышенных температурах эксплуатации. Количественные оценки эффективности предлагаемых технологических приемов приведены ниже для типовых операций изготовления наукоемких изделий.

Технологический процесс (ТП) модификации поверхностного слоя нанесением покрытий Целью работы является получение детали с минимальной массой и высокими эксплуатационными свойствами по

антифрикционным показателям и

износостойкости узлов терния (детали из

Примером таких деталей являются валы привода (например, компрессора теплового двигателя).

Здесь имеет место комбинация тепловых и химических воздействий, сочетание которых формирует новый комбинированный процесс (патент 2405662 [3]), где достигается химическое удаление с поверхности алюминиевого сплава окисной пленки с одновременным нанесением электроэрозионным способом слоя чугуна.

Созданный на базе способа [3] комбинированный технологический процесс имеет следующие особенности:

проектирование режимов нанесения и возобновления выбранных химически активных материалов, а также времени выдержки для удаления оксидной пленки; адаптивное управление по времени нанесения чугунного покрытия по предельному периоду стабильного протекания процесса.

Для получения качественного покрытия предложены следующие

характеристики обработки [4]:

- состав химически активного материала;

- время выдержки - 2-5 с (адаптивное управление);

- покрытие: чугун СЧ24;

- электрод: стержень из чугуна диаметром 1-1,5 мм;

- напряжение на электродах 50-60 В;

- скорость перемещения электрода 1-2 мм/с (адаптивное управление).

Достигнуты следующие результаты:

- толщина слоя качественного чугунного покрытия - до 1,4 мм на диаметр;

- сплошность покрытия - не менее

85%;

- неравномерность по толщине покрытия - ±0,1 мм;

- твердость покрытия НЯ£220±20;

- повышение износостойкости по сравнению с алюминиевым сплавом - до 10 раз.

Технологический процесс модификации поверхностного слоя с удалением припуска

Исследования выполнялись с целью снижения и удаления напряжений растяжения,

алюминиевого сплава с чугунным покрытием). а также формирования профиля детали путем снятия припуска.

В качестве примера объекта исследований на рис.1 показаны стяжные места ленты лопастей вертолетов тяжелого класса.

Рис. 1. Стяжные ленты: а) заготовка для электрохимической размерной обработки; б - деталь после обработки полотна

При комбинированной обработке используется следующее сочетание воздействий: магнитное, импульсное механическое и химическое. На базе этих воздействий по а.с. 745638 [5] спроектирован комбинированный процесс обработки со стабилизацией положения зоны анодного растворения и адаптацией силы для стабилизации ее положения.

При проектировании ТП создан механизм адаптации управления процессом по сигналу обратной связи от измененного межэлектродного зазора компенсацией силы технологического тока.

Применены следующие режимы обработки: напряжение 10-16 В; рабочая среда - 15% раствор хлористого натрия с температурой 18-24 °С. Дифференциальное изменение силы тока в импульсе не более 10%.

В результате достигнуто устранение остаточных напряжений растяжения; погрешность профиля ±0,05 мм; шероховатость поверхности Яа=0,63-0,32 мкм; повышение производительности до 18 раз. Результаты внедрены в производство.

Проведено обоснование выбора средств воздействий с оценкой их эффективности по критериям полезности (табл.1).

Таблица 1

Оценка полезности разработанных способов защиты от растворения технологической оснастки

Объект обработки Способ защиты поверхностного слоя Коэффициенты полезности Ограничения

X К2

Оснастка для Термическая 1,2-1,5 1,5-2,0 Удорожание

ЭХО сопловых обработка на оснастки

лопаток разработанных 0,1-0,15

авиационных технологических

двигателей режимах [4]

Оснастка для Преобразования в 2,0-3,0 10-30 Снижение

ЭХО стяжных поверхностном слое коэффициента

лент под действием выхода по току

созданных

режимных 0,2-0,3

параметров [5]

В табл. 1 Х= Пр; КТ= п , где По -

По По

ресурс оснастки без защиты поверхностного слоя; Пр - ресурс с модификацией по предложенному способу; Па - ресурс после разработки перспективных методов защиты от растворения при электрохимической размерной обработке (ЭХО).

Технологический процесс модификации поверхностного слоя без изменений геометрии детали Реализация процесса механического воздействия и воздействия

электрохимического катодного положения поля на гранулы позволяет значительно повысить усталостную прочность изделий и получить малую шероховатость поверхности при минимальном измененном слое [7].

Исследования проводились на рабочих лопатках турбины современных авиационных двигателей (рис. 2).

Рис. 2. Рабочие лопатки турбины

Здесь имеет место следующее сочетание воздействий: импульсное механическое и химическое.

Технологический процесс

спроектирован на базе способа по патенту 2333822 [6] комбинацией ударного воздействия токопроводящих гранул в жидкой среде с наложением электрического поля с параметрами, воздействующими только на микрогеометрию обрабатываемой

поверхности.

Принятые режимы обработки:

- рабочая среда - промышленная вода;

- частота следования вибраций - 5 Гц;

- гранулы: металлические шарики диаметром 3; 5 мм в пропорции 1:1;

- адаптация частоты по поддержанию наибольшей силы соударения гранул с зоной упрочнения.

Получены эксплуатационные

показатели:

- повышение усталостной прочности деталей до 15-20%;

- снижение шероховатости до Яа=0,32-0,63 мкм;

- повышение производительности операций на 20-30%.

В табл. 2 приведена критериальная оценка от использования принципа полезности наиболее значимых эксплуатационных показателей.

Таблица 2

Повышение защитных свойств поверхностного слоя турбинных лопаток

Главный Метод воздействия Коэффициенты полезности Ограничения

эксплуатационный на поверхностный К*

показатель слои лопатки

Повышение Специальное 1,5-2,0 2,0-3,0 Рабочая

жаростойкости покрытие температура покрытия

Повышение усталостной прочности (ресурса) Механическое упрочнение [4] 1,1-1,2 1,2-1,3 Накопленные микродефекты материала

В табл. 2 коэффициенты полезности находились аналогично пояснениям, представленным в табл. 1.

Научным результатом этого этапа исследований является новый способ (подана заявка на патент).

Технологический процесс преобразования геометрии детали путем управления электрическим полем

Эффективность процесса оценивается уровнем технологичности электрода-инструмента, обеспечивающего получение заданной геометрии проточного тракта в форсунках и фильтрах ракетных двигателей.

На рис. 3 приведены типовые конструкции форсунок, в том числе при размещении на огневой доске (рис. 3, б).

а) б)

Рис. 3. Форсунки: а - центробежная форсунка; б - фрагмент огневой доски с форсунками

Комбинированный процесс включает следующие воздействия: тепловое,

химическое, магнитное.

Комбинированный метод является совмещением электроэрозионного и электрохимического способа с управлением полем через локальное перераспределение плотности тока на рабочей части электрода. Метод базируется на способах по патентам № 2538456 [7] и 2537409 [8].

ТП имеет следующие особенности: создан механизм адаптивного управления процессом съема припуска по сигналу обратной связи через силу тока

регулированием напряжения на электродах, что требует ограничения плотности тока по пределу возникновения коротких замыканий. Должны быть учтены ограничения по диаметру отверстий и глубине перемещения в детали электрода-инструмента для обеспечения заданного профиля отверстия в проточном тракте. Требуется обоснование противодавления при многоэлектродной обработке путем обратной связи через гравитационную составляющую

регулирующего элемента электрода-инструмента.

Рабочие режимы обработки:

- напряжение 80-110 В;

- рабочая среда - деионизированная вода с малой проводимостью;

- продольные вибрации инструмента -80-120 Гц;

- стабильность силы тока ±5%;

- противодавление 0,01-0,02 МПа. При изготовлении форсунок и

фильтров получены следующие результаты:

- создание технологичного инструмента с квадратными электродами в

При оценке полезности по расходу учитывается отношение рассеивания расхода через обрабатываемое отверстие до операции увеличения или уменьшения площади проходного сечения к достигнутому (К^) или достижимому (К"2) показателю.

Подобное же соотношение принято для оценки эффективности распыла рабочей среды (топлива и другое).

Достигнут научный результат в виде модели управления электрическим полем, что позволило создать универсальные

количестве до 500 штук в блоке для выполнения фильтров с круглыми отверстиями с диаметром более 0,25 мм;

- изготовление форсунок с профилем проточной части в виде сопла Лаваля, что повысило скорость протекания рабочей среды и отодвинуло зону горения от форсунки, повысило ресурс и надежность форсунок.

Критериальная оценка основных эксплуатационных показателей по критерию полезности приведена в табл. 3.

инструменты для прошивки каналов различного профиля.

Технологический процесс повышения теплостойкости и ресурса лопаток турбин путем нанесения поверхностного слоя из керметов

Технологический процесс позволяет повысить ресурс лопаток жидкостных ракетных двигателей до уровня, позволяющего создать изделия многоразового использования с повышенным импульсом тяги.

Результаты исследований применимы для ракетных (рис. 4) и авиационных двигателей, других лопаточных машин.

Таблица 3

Повышение эксплуатационных характеристик форсунок путем снятия припуска или покрытия _каналов подачи рабочих сред_

Главный эксплуатационный Технологические методы воздействия Коэффициенты полезности Ограничения

показатель *1

Расход рабочей среды через канал форсунки Электрохимическое снятие припуска в отверстии 1,5-2,0 2,0-3,0 Изменяется радиус кромки, что влияет на стабильность распыла Высокая трудоемкость изготовления инструмента

Нанесение покрытия на поверхность канала 1,3-2,0 Нестабильность процесса формирования кромки, что приводит к необходимости повторной обработки

Распыл рабочей среды Электрохимическое скругление кромки на выходе струи из канала 1,2-1,3

Рис. 4. Фрагменты турбонасосных агрегатов (ТНА) ракетных двигателей

При проектировании

комбинированного процесса использованы следующие воздействия: тепловое,

химическое, механическое постоянное.

Комбинированный процесс включает плазменное напыление металла с химическим преобразованием осадка и механической раскаткой слоя. При проектировании ТП необходимо предусмотреть многократное наращивание слоев, адаптивное управление режимами наращивания покрытия по

информации о размерах и плотности непроводящих гранул, в частности изменением давления при раскатке.

Предложены следующие

технологические режимы и показатели:

- состав керметного покрытия 2г02;

- толщина: подслоя из нихрома 0,130,15 мм; слоя кермета - 0,3 мм;

- плотность тока 10-12 А/см2;

- скорость нанесения слоев - до 1 см2/мин;

- количество слоев покрытия - до 6.

Применение покрытий из керметов

позволило повысить:

- ресурс лопаток турбин при одноразовом пуске на 20-30%;

- температуру газа перед турбиной до 100-200 К, увеличить импульс тяги и обеспечить возможность многоразовых включений;

- надежность работы тепловых двигателей.

Выполнена критериальная оценка эффективности покрытий лопаток керметами (табл. 4).

Таблица 4

Технологические методы повышения эксплуатационных показателей проточного тракта ТНА

Эксплуатационный показатель Технологические методы воздействия Коэффициенты полезности Ограничения

К2

Жаростойкость Комбинированные покрытия с наполнителем [4] 1,3-1,5 1,5-1,8 Нестабильность процесса покрытия

Защита от внешних воздействий Специальное покрытие, замена материалов 1,5-2,0 2,0-10 Повышение трудоемкости и затрат

Усталостная прочность и надежность Виброударное упрочнение [4] 1,2-1,3 1,2-1,5 Ограниченный доступ инструмента в зону обработки

Снижение гидравлического сопротивления и надежности Комбинированное экструдирование наполнителя с анодным растворением микронеровностей [4] 1,3-1,5 1,5-2,0 Предельное изменение проходного сечения межлопаточного канала

В табл. 4 критерием оценки полезности являются результаты механических и усталостных испытаний (жаростойкость,

защита от внешних воздействий, прочность) и показатели пролива через межлопаточный канал (гидравлическое сопротивление потоку).

Для конкретных узлов и условий эксплуатации значения коэффициентов полезности сближаются, что открывает возможность выбора минимального количества требуемых воздействий, являющихся базой для проектирования (при необходимости) технологических процессов и разработки технического задания для исследовательских работ.

В результате реализации работы получен научный результат, включающий установление закономерностей для

проектирования ТП нанесения керметов при различном сочетании металлической и керамической фазы, а также разработка нового способа получения покрытий (заявка на патент 2015101658).

Заключение

Приведенные примеры и

критериальная оценка результатов позволяют утверждать, что достигнут определенный уровень технологической науки. Однако это не всегда обеспечивает получение требуемых показателей при создании перспективных наукоемких изделий, и необходимы новые исследования для завоевания рынков сбыта продукции в стране и за рубежом.

Приведенные критерии и методология их использования позволяют по анализу достигнутого и требуемого разработчиком уровня качества [9; 10], обосновать потребность, последовательность и количество технологических разработок, включая создание новых способов и устройств.

Литература

1. Сафонов, С.В. Модификация поверхностного слоя металлических изделий [Текст] / С.В. Сафонов, С.Н. Григорьев, В.П. Смоленцев// Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. Т.11. - №2. - С.19-26.

2. Сафонов, С.В. Повышение эксплуатационных свойств изделий путем нанесения и удаления покрытий [Текст] / С.В. Сафонов, С.Н. Григорьев, В.П. Смоленцев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т.11. - №3. - С.15-23.

3. Патент 2405662 (РФ). Способ нанесения чугунного покрытия на алюминиевые сплавы [Текст] / В.П. Смоленцев, А.В. Гребенщиков, А.В. Перова, Б.И. Омигов. Бюл. изобр. №34, 2010.

4. Сафонов С.В. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик изделий [Текст] / С.В. Сафонов. -Воронеж: изд. дом ВГУ, 2015. -352 с.

5. А.с. 745638 (СССР). Способ крепления нежестких деталей при размерной электрохимической обработке [Текст] / В.П. Смоленцев, З.Б. Садыков. Бюл. изобр. №25, 1980.

6. Патент 2333822 (РФ). Способ комбинированной магнитно-импульсной обработки деталей лопаточных машин и устройств для его осуществления [Текст] / В.П. Смоленцев и др. (5 авторов). Бюл. изобр. №26, 2006.

7. Патент 2538456 (РФ). Устройство для прошивки глубоких отверстий в металлических заготовках и способ с его применением [Текст] / В.П. Смоленцев и др. Бюл. изобр. №1, 2015.

8. Патент 2537409 (РФ). Инструмент и способ калибровки отверстий малого сечения в форсунках [Текст] / В.П. Смоленцев и др. Бюл. изобр. №1, 2015.

9. Смоленцев В.П. Управление системами и процессами [Текст] / В.П. Смоленцев, В.П. Мельников, А.Г. Схирдладзе. М.: Академия, 2010. 336 с.

10. Мельников В.П. Управление качеством [Текст]: учебник / В.П. Мельников, В.П. Смоленцев, А.Г. Схирдладзе. М.: Академия. 352 с.

Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» Воронежский государственный технический университет

THE PLANNING OF COMBINED PROCESSES OF SURFACE LAYER MODIFICATION IN

STANDARD COMPONENTS

S.N. Grigoriev, Doctor of Technical Science, Professor, the rector of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «MSTU-STANKIN», Mosww, Russian Federation, e-mail: rector@stankin.ru

S.V. Safonov, Candidate of Pedagogical Science, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: safonov@vorstu. ru

V.P. Smolentsev, Doctor of Engineering Science, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: vsmolen@inbox.ru

The article considers typical examples of the application of processing methods to achieve the required operating characteristics of key components, working in heavy-duty sites of products under adverse impact of aggressive environments, thermal flows or impulse loads. The criteria have been presented for assessing the results obtained through development and implementation of combined methods of surface layer modification.

The studies, conducted during the last decades, have shown that the investigation of the problem is being carried on in the following main areas:

- the modification of properties without stock removal in conjunction with focused combined impact upon the surface layer. First of all, it implies thermal, mechanical and chemical processes, as well as electromagnetic impacts, the

composition of which within a combined technology permits to impart higher operating characteristics to components. In process of modification, nanofilms can be formed with a thickness which does not affect the change in product dimensions;

- removing the portion of the product's surface layer until the material having required operating characteristics is

obtained;

- growing layers of materials with special properties, having a monolithic structure, in which the operating characteristics are achieved by imparting the required product characteristics (wear resistance, heat resistance, etc.) to components (including those made of other materials) via the parameters of coating deposited. The typical example of such technology is electro-spark alloying, which, in recent years, has become widely used as a technology of part geometry restoration and incremental layering, with each layer exceeding 1 mm in thickness. This gives reasons to claim that such a process is becoming a part of prototyping technology. Here, a fundamentally new result is achieved, eliminating the major flaw of the prototyping process, i.e. the volatility of strength characteristics, since coating deposition does not modify the properties of key components, while the layer strength is provided by the use of adaptive combined processes, usually with applying an electric field;

- depositing layers, which comprise pellets, made of conductive and insulating materials (e.g. ceramics, abrasive, etc.). This provides greater opportunities for developers in creating modern equipment, which is also essential, especially for leading domains of domestic machine construction, i.e. manufacturing aircraft and space equipment, repair of vehicles, etc.

Key words: combined processes, technology, surface layer formation, modification, operating characteristics

References

1. Safonov S.V. Modifikacija poverhnostnogo sloja metallicheskih izdelij [The modification of the surface layer of metal products]/ Vestnik VGTU. T.11. №2, 2015. S.19-26.

2. Safonov S.V. Povyshenie jekspluatacionnyh svojstv izdelij putem nanesenija i udalenija pokrytij [Enhancing the operating properties of products by deposition and removal of coatings]/ Vestnik VGTU. T.11. №3, 2015. S. 15-23.

3. Patent 2405662 (RF). Sposob nanesenija chugunnogo pokrytija na aljuminievye splavy [The method of depositing the cast iron coating onto aluminium alloys]/ V.P. Smolencev, A.V. Grebenshhikov, A.V. Perova, B.I. Omigov. Bjul. izobr. №34, 2010.

4. Safonov S.V. Tehnologicheskoe obespechenie jekspluatacionnyh harakteristik izdelij [The technological support of products' operating characteristics of products]. Voronezh: izd. dom VGU, 2015. -352 s.

5. A.s. 745638 (SSSR). Sposob kreplenija nezhestkih detalej pri razmernoj jelektrohimicheskoj obrabotke [The way of fastening non-rigid parts in dimensional electrochemical processing] / V.P. Smolencev, Z.B. Sadykov. Bjul. izobr. №25, 1980.

6. Patent 2333822 (RF). Sposob kombinirovannoj magnitno-impul'snoj obrabotki detalej lopatochnyh mashin i ustrojstv dlja ego osushhestvlenija [The method of combined magnetic impulse processing of components in impeller machines and devices for its implementation]/ V.P. Smolencev i dr. (5 avtorov). Bjul. izobr. №26, 2006.

7. Patent 2538456 (RF). Ustrojstvo dlja proshivki glubokih otverstij v metallicheskih zagotovkah i sposob s ego primeneniem [The device of deep-hole piercing in metal workpieces and the way of its application]/ V.P. Smolencev i dr. Bjul. izobr. №1, 2015.

8. Patent 2537409 (RF). Instrument i sposob kalibrovki otverstij malogo sechenija v forsunkah [The tooling and method of calibrating small-section openings in sprayers]/ V.P. Smolencev i dr. Bjul. izobr. №1, 2015.

9. Smolencev V.P. Upravlenie sistemami i processami [System and process management]. M.: Akademija, 2010. 336 s.

10. Mel'nikov V.P. Upravlenie kachestvom. Uchebnik [Quality management. A textbook]. M.: Akademija. 352 s.