СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО УЧАСТКА ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОНАГРУЖЕННОЙ ДЕТАЛИ
METHOD OF PRODUCING LOCAL SECTION OF HEAT-LOADED PART COOLING SECTION

Способ относится к области машиностроения и может быть использован при электроэрозионном, эрозионно-химическом нанесении искусственной шероховатости на теплонагруженные детали транспортных машин, например, в локальной зоне работы форсунок, подающих горючие смеси в ракетных двигателях.
Известен способ получения искусственной шероховатости за счет ужесточения режимов обработки с предельной высотой неровностей при импульсной обработке высотой до 40 мкм ([1], с.25). Недостатками способа являются ограниченные возможности формирования высоты неровностей из-за нарушения качества поверхностного слоя при действии импульсов большой энергии, ограничение площади поверхности теплопередачи, повышенная трудоемкость чистовой обработки.
Известен способ получения локальных участков каналов для охлаждения камер сгорания ракетных двигателей путем врезания в место сопряжения пазов электрода-инструмента, где можно использовать только чистовые режимы эрозионной составляющей процесса из-за опасности нарушения качества поверхностного слоя боковых поверхностей пазов ([2], с.33).
Техническим результатом предлагаемого способа является получение локальных участков эффективного охлаждения теплонагруженных деталей без снижения качества поверхностного слоя и вызванного этим снижения прочностных характеристик изделий.
Способ получения искусственной шероховатости на участке охлаждения теплонагруженной детали включает обработку детали электродом-инструментом на электроэрозионном оборудовании, при этом обработку выполняют в два этапа, на первом этапе на грубом режиме электроимпульсным методом на рабочей части электрода-инструмента наносят неровности в виде соприкасающихся углублений 500±15 мкм при энергии импульса 4 Дж или глубиной от 380 до 430 мкм при энергии импульса 3 Дж, после чего на чистовом режиме электроискровой обработкой электродом-инструментом формируют шероховатость на участке охлаждения теплонагруженной детали.
На фиг.1 и 2 показаны схемы электроимпульсной обработки электрода-инструмента и получения локального участка охлаждения на детали.
На фиг.1 теплонагруженная деталь 1 и электрод-инструмент 2 устанавливают на рабочем столе электроимпульсного станка (не показан) с генератором импульсов 3 и с ванной, заполненной рабочей жидкостью 4 на базе диэлектриков или слабопроводящих жидкостей. Теплонагруженная деталь 1 и электрод-инструмент 2 на первом этапе обработки подключены по схеме обратной полярности (минус - электрод-инструмент 2) к генератору импульсов 3 так, что рабочая часть 5 теплонагруженной детали 1 противостоит электроду-инструменту 2.
На фиг.2 на втором этапе обработки рабочая часть 5 теплонагруженной детали 1 расположена в рабочей жидкости 4 (при эрозионно-химической обработке рабочая жидкость 4 может быть слабым проводником) напротив неровности 6, полученной на первом этапе обработки на электроде-инструменте 2. Генератор 3 электроискровых коротких импульсов высокой частоты включают по схеме прямой полярности. Подача 7 электрода-инструмента 2 с рабочей частью 8 направлена в сторону рабочей части 5 теплонагруженной детали 1, где формируются выпуклые неровности 9.
Способ осуществляют следующим образом: выполняют рабочую часть 8 электрода-инструмента 2 по геометрической форме рабочей части 5 теплонагруженной детали 1. Помещают теплонагруженную деталь 1 и электрод-инструмент 2 в рабочую жидкость 4. Подключают к генератору импульсов 3 электроэрозионного станка. При этом теплонагруженная деталь является анодом (+). Регулируют генератор импульсов 3 на получение импульсов с максимальной энергией без учета ограничений по энергии (в [1] дано ограничение в 1 Джоуль), что предусмотрено на оборудовании с широкодиапазонными генераторами импульсов. Подводят электрод-инструмент 2 к детали 1, снижают между ними расстояние до появления разрядов, формирующих профиль в форме неровностей 6 на электроде-инструменте 2 с предельно достижимой глубиной неровностей 6 по всему участку. При этом по контуру неровностей 6 образуется поверхностный дефектный слой (показан на фиг.1 штриховкой) с образованием микротрещин на поверхности неровностей 6.
На втором этапе (фиг.2) переключают генератор импульсов 3 на режим электроискровой обработки, при этом анодом остается теплонагруженная деталь 1. Устанавливают на генераторе импульсов режим чистовой обработки, обеспечивающий получение на рабочей части 5 детали 1 профиля выпуклых неровностей 9 с бездефектным поверхностным слоем, что необходимо для работы высоконагруженных деталей. Подключают электрод-инструмент 2 и деталь 1 по схеме прямой полярности к генератору 3. Осуществляют подачу 7 путем сближения рабочих частей 8 и 5 до получения выпуклых неровностей 9 на рабочей части 5, увеличивая при этом площадь теплообмена детали 1, где не образуется измененного дефектного слоя.
Пример осуществления способа.
В районе переходных элементов каналов охлаждения камеры сгорания из сплава ВНС 16 ракетного двигателя необходимо выполнить локальный участок в донной части (рис.3 в [2], с.33) канала для дополнительного охлаждения с целью компенсации снижения теплоотвода в застойной части канала. По техническим условиям на камеру сгорания глубина местных выступов или углублений должна быть около 0,5 мм.
Для этих целей методы электроэрозионной и эрозионно-химической обработки ранее не использовались, так как предельно допустимая энергия импульса (1 Дж) позволяла получить неровности высотой не более 0,2 мм, что не отвечает требованиям чертежа на изделие. Применялось сверление отверстий диаметром 1,5 мм на глубину 0,5 мм, что вызывало появление на вязком материале камеры сгорания заусенцев до 0,3 мм, которые удалялись вручную, что было весьма трудоемким и не гарантировало их полного удаления. Это могло вызвать попадание заусенцев в форсунку и вызвать нештатную ситуацию.
Проведенные эксперименты показали, что при энергии импульса. 4 Дж на рабочей части электрода-инструмента формируются соприкасающиеся углубления 500±15 мкм в течение 0,6 минут. После обработки донной части переходного участка канала охлаждения образовались локальные участки (по форме переходной части канала), имеющие наибольшую площадь охлаждения, с высотой неровностей 500±10 мкм. Измерение профиля таких участков показало увеличение площади теплоотдачи в 1,2-1,3 раза, а испытания показали снижение температуры участка на 5-10% по сравнению с участками, полученными сверлением. При этом не требовалось удаления заусенцев, так как при электроэрозионной и эрозионно-химической обработке они не образуются. Металлографические и рентгеноструктурные исследования не выявили нарушения качества поверхностного слоя в данной части канала.
В [1] на с.33 приведен пример использования искусственной шероховатости в смесителях топлив ракетных двигателей из сплава 12Х18Н10Т-Ш на локальных участках вокруг форсунок из жаропрочного сплава. Высота неровностей задана 0,4±0,05 мм. При режиме импульсной обработки с энергией импульса 3 джоуля в течение 0,9 минут получены углубления на электроде-инструменте от 380 до 430 мкм, а на смесителях от 400 до 450 мкм, что отвечает требованиям чертежа. Проведенные исследования показали, что качество поверхностного слоя отвечает техническим условиям, площадь теплоотдачи возросла на 15-20%, а трудоемкость операции снизилась в 1,8-2,0 раза.
Источники информации
1. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Учеб. пособие (в 2-х томах). T.1. Обработка материалов с применением инструмента / Под ред. В.П.Смоленцева. - М.: Высш. шк., 1983, с.247.
2. I международная научно-техническая конференция «Совершенствование существующих и создание технологий в машиностроении и авиастроении»: Сборник трудов. - Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦРАН, 2009, с.324.