Технологическое обеспечение качества изготовления глубоких отверстий в каналах малого сечения

Кроме того, дальнейшее развитее технологии предполагает использование полученной модели для создания системы управления режимами абразивно-экструзионной обработки при помощи изменения реологических свойств рабочей смеси, путем автоматического регулирования температуры процесса.

Библиографический список

1. Сысоев, С. К. Экструзионное хонингование сложнопрофильных каналов в литых заготовках летательных

аппаратов / С. К. Сысоев, П. А. Снетков, А. С. Сысоев // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева / под ред. проф. Г. П. Белякова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2004. Вып. 5. С. 236-243.

2. Сысоев, С. К. Использование АЭХ для удаления напряжений из поверхностного слоя / С. К. Сысоев, П. А. Снетков, А. С. Сысоев // Прогрессивные технологии обработки материалов. Режущий инструмент и оснастка» : сб. статей Междунар. науч.-техн. конф. СПб. : Изд-во «Инструмент и технология», 2004. С. 197-202.

P. A. Snetkov, E. B. Pshenko

POWER PROCESSES RESEARCH IN CUTTING ZONE BY ABRASIVE FLOW MACHINING PROCESS

It is were given the results of power processes theoretical and practical researches in the cutting zone by abrasive flow machining process, which determine the dependence for thermal sources power calculation aiming at working process stabilization.

ХЦК 621.787

И. В. Трифанов, Л. И. Оборина, В. И. Трифанов, Н. Ц. Гайденок, В. И. Терехов

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ В КАНАЛАХ МАЛОГО СЕЧЕНИЯ

Изготовление глубоких отверстий с высоким качеством в каналах малого сечения вызывает определенные трудности. Одним из перспективных методов обработки тонкостенных каналов малого сечения является дорно-вание путем протягивания с регулируемым обжатием на протяжке.

Обработка глубоких отверстий малого диаметра (d = 0,5.. .3 мм, l/d = 4 - 100, где l - глубина отверстия) в различных каналах малого сечения деталей машин является сложной и трудоемкой операцией из-за технологических недостатков существующих методов (табл. 1). Это требует разработки эффективных технологических подходов обеспечения качества, отвечающих высоким требованиям, предъявляемым к точности отверстий, состоянию поверхностного слоя и каналов малого сечения (например, 3,6 х 1,8 мм; 2,4 х 1,2 мм и менее) в целом. Известно, что для получения глубоких отверстий d=0,5 .3 мм применяют сверление, электрохимическое и электроэро-зионное, лазерное и электроннолучевое прошивание [1]. Однако наиболее высокую точность получения отверстий можно обеспечить механической обработкой. Сверление производят стандартными и специальными сверлами из быстрорежущей стали и твердых сплавов, а также сверлами одностороннего резания с внутренним подводом смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) и рабочей частью из твердого сплава.

Фирмой «Mikron» (Швейцария) созданы специальные спиральные сверла диаметром d = 0,8.3 мм с рабочей частью из твердого сплава [1]. Глубина сверления l < 7d. Точность обработки соответствует 7-8 квалитетам. Стойкость в 4-8 раз превышает стойкость стандартных спи-

ральных сверл из быстрорежущей стали. Эти сверла хорошо работают с механической подачей без промежуточного вывода из отверстия [1].

Эффективным методом получения глубоких отверстий малого диаметра является сверление твердосплавными сверлами одностороннего резания с внутренним подводом СОЖ, которые в отечественной промышленности применяются для обработки отверстий с d > 2 мм и глубиной до 100 d. Фирма <^иЬп^» (ФРГ) выпускает сверла подобного типа диаметром от 0,98 мм. Причем стебель сверл диаметром d = 0,98.2 мм выполняется целиком из твердого сплава [1]. Твердосплавные сверла одностороннего резания обеспечивают повышение производительности обработки в 2-3 раза по сравнению с обработкой спиральными сверлами [2]. Точность диаметра отверстий при использовании сверлами одностороннего резания соответствует 7-11 квалитету, а шероховатость поверхности Яа < 2,5 мкм. Важным достоинством сверл одностороннего резания является то, что они обеспечивают наименьший увод оси отверстия и отклонение ее прямолинейности. По данным фирмы <^иЬп^» увод оси отверстий глубиной I = 200 мм при применении этих сверл даже при неподвижной заготовке не превышает

0,1 мм, а отклонение их оси от прямолинейности не превышает 0,01 мм [1].

Для формообразования глубоких отверстий малого диаметра (й > 2 мм) в труднообрабатываемых материалах находит применение вибросверление [3], при котором обеспечивается надежный отвод стружки, улучшаются условия проникновения СОЖ в зону резания и теплоотвод. При вибросверлении используют как односторонние, так и стандартные спиральные сверла. Точность обработки вибросверлением соответствует 8-11 квалитету, а шероховатость поверхности Яа = 0,63.2,5 мкм [3]. Для получения глубоких отверстий й = 1.2 мм, I < 200 мм в труднообрабатываемых сталях и сплавах применяют электрохимическое прошивание [4]. Точность отверстий, полученных электрохимическим прошиванием, соответствует 12 квалитету, увод оси отверстия не превышает 0,12 мм на каждые 100 мм глубины. Важным достоинством этого метода получения отверстий является практически полное отсутствие износа инструмента. Недостатком является возможное растравливание некоторых металлов и сплавов на границе зерен, а также наводораживание поверхностного слоя [4].

Для получения глубоких отверстий малого диаметра находит применение электроэрозионное прошивание [4]. С помощью этого метода можно прошивать отверстие диаметром й > 1 мм и глубиной 100 й и более [4]. Точность диаметра прошитого отверстия соответствует 12-14 ква-литетам, шероховатость поверхности Яа = 3.5 мкм [1]. Недостатком электроэрозионного прошивания является образование в поверхностном слое микротрещин и растягивающих остаточных напряжений. При повышенных требованиях к точности и качеству поверхностного слоя глубоких отверстий малого диаметра их подвергают отделочной обработке: развертыванию, притирке, абразивно-экструзионному шлифованию, дорнованию [1]. Показатели отделочных методов обработки представлены в табл. 2.

Развертывание широко применяется для предварительной и окончательной обработки глубоких отверстий малого диаметра, например перед закалкой заготовок и последующей притиркой. Для обработки отверстий диаметром й = 0,4.1 мм глубиной I < 10й в незакаленных сталях, цветных металлах и сплавах используют пятигранные развертки с деформирующимися зубьями [1]. При развертывании применяют комплект из 2-4 разверток, каждая из которых снижает припуск около 0,01 мм. При й > 0,8 мм возможно изготовление разверток с режущими зубьями. Их изготавливают из твердого сплава или быстрорежущей стали, в основном прямозубыми. Эти развертки позволяют обрабатывать отверстие I < 8 й. Для обеспечения высокой точности и малой шероховатости поверхности обычно используется комплект разверток. Зарубежные инструментальные фирмы «№ккеп» (Япония) и «Hegenscheidt» (Германия) изготавливают развертки диаметром й > 2 мм, получившие название протяж-коразвертки [1]. Особенностью этого инструмента является то, что зубья образуют левую крутую спираль, угол подъема которой около 75°.

Такая спираль обеспечивает в процессе работы плавность хода инструмента, увеличивает его жесткость и виброустойчивость. По сравнению с традиционными протяж-коразвертки позволяют увеличить скорость резания в 2-3 раза, а подачу в 2 раза [1]. При развертывании отверстий малого диаметра может быть обеспечена точность 6-8 ква-литет при параметре шероховатости Яа < 0,32 мкм [1].

Однако развертывание глубоких отверстий малого диаметра является недостаточно производительным, так как часто выполняется машинно-ручным способом. С другой стороны, сам процесс развертывания точных отверстий оказывается нестабильным, и возможен существенный брак деталей [4]. Кроме того, механическая

Таблица 1

Технологические показатели получения отверстий малого диаметра различными методами

Метод обработки Г еометрические параметры отверстия Точность обработки Шероховатость поверхности Недостатки

Сверление спиральными сверлами из твердого сплава 0 = 0,8.3 мм, 1 < 70 7-8 квалитет Яа < 2,7 мкм Образование заусенцев, низкая шероховатость поверхности

Сверление твердосплавными сверлами одностороннего резания 0 = 0,98.2 мм, 1 < 1000 7-11 квалитет Яа < 2,5 мкм Образование заусенцев, низкая шероховатость поверхности

Обработка вибросверлением стандартными спиральными сверлами и сверлами одностороннего резания 0 = 2 мм, 1 < 1000 8-11 квалитет Яа-0,63.2,5 мкм Образование заусенцев, низкая шероховатость поверхности

Обработка шнековыми сверлами < о 2 , 8-11 квалитет Яа-1,25.2,5 мкм Образование заусенцев, низкая шероховатость поверхности

Электрохимическое прошивание отверстий 0 = 1.2 мм, 1 < 200d 12 квалитет Яа-2,5.0,32 мкм Возможное растравливание поверхностного слоя

Электроэрозионное прошивание отверстий 0 > 1 мм, 1 > 1000 12-14 квалитет Яа = 3.5 мкм Наличие дефектного слоя

обработка отверстий в каналах всегда связана с образованием заусенцев, которые необходимо удалять с обеспечением низкой шероховатости поверхности каналов. Для окончательной обработки точных отверстий малого диаметра применяют притирку жесткими притирами с использованием абразивных паст уменьшающейся зернистости. Притирка выполняется за несколько операций, между которыми заготовка подвергается промывке и является очень трудоемкой. При этом достигается точность 3-4 ква-литет, шероховатость поверхности Яа = 0,02.0,08 мкм [1]. Предложено притирку глубоких отверстий ^ = 1,5.4 мм, I < 20й) выполнять упругим проволочным притиром. Существенным недостатком притирки является шаржирование обрабатываемой поверхности отверстий абразивными зернами, что снижает эксплуатационные свойства обработанных деталей. Для отделочной обработки глубоких отверстий малого диаметра может применяться абразивно-экструзионная обработка. Она позволяет обеспечить параметр шероховатости поверхности Яа = 0,08.0,12 мкм при исходном значении Яа = 1.1,5 мкм [1]. Абразивноэкструзионная обработка позволяет эффективно удалять дефектный слой, сформированный при электроэрозион-ном прошивании отверстий [1]. Точность отверстий при абразивно-экструзионной обработке сохраняется примерно на уровне исходной точности. Из проведенного анализа методов изготовления глубоких отверстий малого диаметра следует, что при высоких требованиях к точности и качеству поверхностного слоя, их обработка остается сложной, трудоемкой и не всегда обеспечивает требуемое качество, например в каналах малого сечения, где не допускается наличие заусенцев после механической обработки, а требуется высокая точность и низкая шероховатость поверхности (табл. 1-2).

Обеспечить высокую точность и качество поверхности глубоких отверстий малого диаметра и существенно повысить эксплуатационные свойства каналов малого сечения в деталях машин из материалов с твердостью HRC < 45 можно на основе модернизации процесса дор-нования [4]. Дорнование (деформирующее протягивание или прошивание) заключается в холодном пластическом

деформировании заготовки при поступательном перемещении через отверстие с некоторым натягом специального инструмента: инструмента-орна (ИД).

При этом обеспечивается повышение точности отверстий, интенсивное сглаживание и упрочнение поверхностного слоя [4]. После дорнования на оптимальном режиме в поверхностном слое формируются сжимающие остаточные напряжения [4] и возможно удаление заусенцев, образовавшихся при получении отверстий. В качестве инструмента при дорновании используют стальные и твердосплавные шары, однозубые и многозубые прошивки и протяжки [1]. Рабочая часть зубьев прошивок и протяжек в большинстве случаев проектируется в виде двух усеченных корпусов с углом 6...10°, соединенных цилиндрической ленточкой шириной 0,1.3 мм [1].

Для изготовления прошивок и протяжек целесообразно применение твердых сплавов, обеспечивающих высокую стойкость инструмента и устраняющих схватывание обрабатываемого и инструментального материала. В целом дорнование позволяет обеспечить высокую точность отверстий (до JT6.JT7), получить очень малую шероховатость поверхности (до Ra 0,05 .0,1 мкм), упрочнить поверхностный слой [1]. Для тонкостенных каналов (D/d < 3) малого сечения и большой длины был предложен метод многоразового дорнования одним инструментом - дорном с регулированием натяга путем контролируемого обжатия заготовки роликовой фильерой [4]. Сила обжатия роликом заготовки определяется по формуле

10HV

P =

Ь +1

0,8--Ra„ /Ra3)

где НУ - твердость обрабатываемой поверхности канала малого сечения; I и Ь - длина и ширина дуги деформирования; - коэффициент трения между инструментом -

дорном и стенкой канала малого сечения; Яаи, Яа3 - шероховатость поверхности ИД и трубчатой заготовки.

Для обоснованного проектирования операции дор-нования каналов малого сечения возникает необходимость изучения параметров контактного взаимодействия

Таблица 2

Отделочные методы обработки отверстий малого диаметра

Метод обработки Г еометрические параметры отверстия Точность обработки Шероховатость поверхности Недостатки

Развертывание пятигранными развертками d = 0,4.1 мм 1 < 10 d 6-8 квалитет Ra < 0,32 мкм Наличие заусенцев, большая трудоемкость

Развертывание развертками с режущими зубьями d = 0,8.3 мм 1 < 8 d 6-8 квалитет Ra < 0,32 мкм Наличие заусенцев, большая трудоемкость

Развертывание протяжкоразвертками d > 2 мм 6-8 квалитет Ra < 0,32 мкм Наличие заусенцев, большая трудоемкость

Притирка жесткими притирами d > 1 мм 1 < 20 d 3-4 квалитет Ra = 0,02 .0,08 мкм Шаржирование поверхности, большая трудоемкость

Абразивно-экструзионная обработка d > 1 мм Сохраняется исходная точность Ra = 0,08.0,12 мкм Шаржирование поверхности

ИД с заготовкой: усилий дорнования, контактных давлений и усадки отверстий каналов, а также исследование точности отверстий каналов, качества их поверхностного слоя и возможности удаления заусенцев, образовавшихся при сверлении отверстий малого диаметра в стенках каналов. К основным параметрам процесса дорнования каналов малого сечения относится суммарный натяг, число циклов деформирования, натяг за один проход [4].

Эти параметры определяются исходя из напряженно-деформируемого состояния заготовки и оказывают решающее влияние на результаты обработки. Напряжения 5 в каждом сечении дуги деформирования заготовки роликовой фильерой зависят от координаты z рассматриваемого сечения. Длина вмятины под роликом фильеры определяется по формуле

I = 0,5[Д

где Д - величина заданного обжатия заготовки, Я - радиус ролика фильеры.

Напряжение 5 определяется выражением:

52 = Т,

где Т - усилия протягивания заготовки; ¥(£) - площадь поперечного сечения заготовки с каналом малого сечения.

Исследования показывают, что с увеличением суммарного обжатия и уменьшением обжатия за один проход повышается точность и качество поверхностного слоя каналов малого сечения [4].

Мерой искажения формы частицы поверхностного слоя очага деформации при протягивании каналов малого сечения является интенсивность скоростей деформации сдвига [5]:

Н = ^ ^

где Вх, Ву, - скорости относительных удлинений; пх Пу, \

- скорости относительных сдвигов частиц в направлении координат осей х, у, z.

Мерой, которая характеризует накопительную деформацию частицы за период числа циклов деформирования и протягивания, может определяться степенью деформации сдвига:

Л = j Hdt,

¥ = j-

где г, г - время начала и окончания числа циклов деформирования и протягивания.

Программа нагружения характеризует процесс формирования поверхностного слоя и представляет собой функцию

Л = Л

где П - показатель напряженного состояния.

П = 5/ т,

где 5 - среднее напряжение; т - интенсивность касательных напряжений.

Важным интегральным параметром, характеризующим состояние поверхностного слоя, является использование запаса пластичности металла у:

0 ЛЛП) ’

где Л - предельное значение степени деформации сдвига, зависящее от П, при достижении которого возникает разрушение металла и зарождение трещин.

В связи с этим качество поверхностного слоя обрабатываемой поверхности канала малого сечения может быть представлено

К = I

где Пп - показатель напряженного состояния после п циклов; Л - степень деформации сдвига после п циклов; у - степень использования запаса пластичности после п циклов.

Таким образом, в результате анализа существующих способов обработки отверстий малого диаметра установлено, что более высокоточным и обеспечивающим лучшее качество поверхности является метод дорнования. Для тонкостенных каналов малого сечения и большой длины предложен метод дорнования с регулируемым обжатием заготовки. Качество поверхностного слоя и точностные параметры при использовании разработанного метода дорнования зависят от степени деформации сдвига, использования запаса пластичности и показателя напряженного состояния после п-циклов обработки.

Библиографический список

1. Скворцов, В. Ф. Дорнование глубоких отверстий малого диаметра : моногр. / В.Ф. Скворцов, А. Ю. Арля-пов ; Том. пед ун-т. Томск, 2005. 89 с.

2. Общемашиностроительные нормативы режимов резания : справ. ; в 2 т. Т. 1 / А.Д. Локтев, М. Ф. Гущин, В. А. Бабуев [и др]. М. : Машиностроение, 1991. 640 с.

3. Литвинов, Л. П. Вибросверление глубоких отверстий / Л. П. Литвинов // Вестник машиностроения. 1990. № 5. С. 22-24.

4. Трифанов, И. В. Технологическое обеспечение качества при изготовлении линий передачи энергии антенно-фидерных устройств / И. В. Трифанов, В. И. Трифанов, В. В. Евтушенко ; Крас. гос. архит. ун-т. Красноярск, 2006. 242 с.

5. Блюмакштейн, В. Ю. Механика технологического наследования. Описание программ нагружения очага деформации на стадии поверхностного пластического деформирования / В. Ю. Блюмкштейн // Инструмент Сибири. 2001. N° 1. С. 18-23.

I. V Trifanow, L. I. Oborina, V I. Trifanow, N. D. Gaidenok, V. I. Terehow

TECHNOLOGICAL QUALITY MAINTENANCE OF MANUFACTURING OF DEEP APERTURES IN CHANNELS OF SMALL SECTION

Manufacturing of deep apertures with high quality in channels of small section causes the certain difficulties. One of the perspective methods of thin-walled channels of small section processing is burnishing by round hole broaching with adjustable reduction on broach.