Вопросы для самопроверки

1. Что такое нетрадиционные методы обработки? Как они появились и в чем их особенность?

2. Назовите имена отечественных ученых, внесших большой вклад в развитие нетрадиционных технологических процессов.

3. Что такое унификация и типизация технологических процессов

7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИе И КОМБИНИРОВАННЫе МЕТОДы ОБРАБОТКИ

В настоящее время при производстве авиационной и ракетно-космической техники сложился целый класс технологических задач, которые решаются с помощью электроэрозионной обработки. К ним можно отнести прошивку сложнопрофильных отверстий и отверстий с криволинейной осью, изготовление решеток и сит, изготовление отверстий в деталях, прошедших термообработку, и т.п. Рассмотрим данные технологические схемы более подробно.

1. Прошивание сложнопрофильных отверстий, окон, щелей и углублений.

Очень часто, при изготовлении деталей и узлов ракетно-космической техники возникает проблема изготовления окна во фланцевой детали, контур которого очерчен большим количеством радиусов (рис. 32). Использование электроэрозионной обработки, специального инструмента и приспособления позволяет значительно упростить процесс получения подобных отверстий. При этом происходит не только снижение времени, затрачиваемого на изготовление таких отверстий по сравнению с традиционными методами, но и повышается точность отверстий и качество поверхности. При прошивании отверстий электрод-инструмент (ЭИ) поступательно перемещается к заготовке со скоростью V_и. При этом оба электрода помещены в ванну, заполненную диэлектриком. Продукты обработки выбрасываются в межэлектродный промежуток и оседают на дно ванны.

Существует два варианта прошивания: прямое и обратное копирование. Эти варианты отличаются между собой по взаимному расположению ЭИ и заготовки и тому, кому из участников процесса сообщается поступательное движение. При прямом копировании ЭИ находится над заготовкой и ему придается поступательное движение, а при

обратном - заготовка над ЭИ, движение подачи здесь может осуществлять заготовка. Второй вариант дает возможность упростить процесс удаления продуктов обработки и повысить точность обработки детали, за счет сокращения количества боковых разрядов.

Рис. 32. Деталь, электрод-инструмент и кондуктор

для прошивки окна

Получение подобных сложнопрофильных отверстий с обеспечением точности и стабильности размеров и качества получаемых поверхностей обеспечивается использованием оборудования и средств технологического оснащения, конструкция которых описана в следующих разделах.

2. Прошивание отверстий малого диаметра (до 1 мм).

При изготовлении авиационной и ракетно-космической техники очень часто возникает задача обеспечения равномерного распыления жидкости форсунками и образования ее пленки без разрывов. Это условие может быть обеспечено только в том случае, если ось отверстия форсунки прямолинейна, а кромки отверстия, выходящие во внутреннюю полость детали, не имеют заусенцев и выполнены строго правильной формы независимо от конфигурации отверстия.

Получение подобных отверстий в нержавеющих, жаропрочных и других труднообрабатываемых материалах с помощью механических операций достаточно сложная, а

зачастую не выполнимая задача. Незначительное искривление оси отверстия форсунки, что обязательно наблюдается при сверлении отверстий диаметром меньше 1 мм, является одной из главных причин, вызывающей неравномерность распыления жидкости. Кроме того, этот дефект может усугубиться в результате некачественной зачистки заусенцев со стороны выхода сверла.

Электроэрозионное прошивание отверстий малого диаметра с последующей их калибровкой устраняет указанные недостатки. Отверстие при этом прошивается без приложения каких-либо осевых усилий к инструменту и заготовке, заусенцы на кромках отверстий при выходе инструмента не образуются, а кромки имеют строго правильную форму. Следует отметить, что данный процесс целесообразно применять при соблюдении следующих условий: L/D5, где L - длина отверстия, а D - его диаметр. При другом соотношении длины отверстия к его диаметру целесообразно применять механическое сверление отверстий, а удаление заусенцев производится с помощью электрохимической обработки. Подробнее об этом будет рассказано в следующем разделе.

Схема технологического процесса аналогична схеме электроэрозионного прошивания сложнопрофильных отверстий. Типовые представители деталей, обрабатываемые по данной схеме, представлены на рис. 33

Рис. 33. Типовые представители деталей, в которых

прошиваются отверстия малого диаметра

3. Изготовление отверстий с криволинейной и спиральной осью.

С помощью традиционной механической обработки производится сверление отверстий с прямолинейной осью, что не всегда удовлетворяет требованиям конструктора и нарушает работоспособность изделия в целом. Например, в случае необходимости соединить каналом два соседних отверстия, что достаточно часто бывает необходимо при изготовлении каналов деталей турбонасосных агрегатов, приходится сверлить через наружную стенку детали с последующей постановкой заглушки. При этом характер поведения подобных заглушек при эксплуатации изделия непредсказуем.

Использование электроэрозионного прошивания отверстий и специальной технологической оснастки позволяет значительно упростить процесс получения таких деталей и повысить их надежность в процессе эксплуатации. На рис. 34 приведена принципиальная схема прошивания криволинейного отверстия. При использовании такой схемы, электроду-инструменту 4 сообщается движение по дуге окружности против часовой стрелки пружиной 7.Произвольному движению ЭИ препятствует ограничитель 2, один конец которого закреплен на ролике 9 винтом 6, а другой - на конце шпинделя соленоида. При движении шпинделя соленоида вниз ослабляется натяжение ограничителя 2, ЭИ 4 под действием усилия пружины начинает вращаться против часовой стрелки и движется к обрабатываемой детали 1. При движении шпинделя вверх ограничитель через ролик 9, который посажен на ось 8, закрепленную в кронштейне 5, передает электрододержателю 3 движение от обрабатываемой детали.

Рис. 34. Принципиальная схема прошивания

криволинейного отверстия

На рис. 35. приведена деталь, у которой описанным выше способом выполнены смазочные криволинейные каналы. При производстве ракетно-космической техники зачастую возникает задача получения не только криволинейных отверстий, но и спиральных отверстий. На рис. 36 приведена деталь с прошитым спиральным отверстием (поз. 1) и технологическая оснастка для изготовления подобных деталей (поз. 2).

4. Изготовление отверстий и пазов в деталях, после термической обработки

При изготовлении ответственных деталей авиационной и ракетно-космической техники часто возникает задача исправления дефектов, вызванных их термической обработкой. Применение размерной электроэрозионной обработки в большинстве случаев позволяет избежать таких отделочных операций. Такая проблема возникает как при

изготовлении инструмента для традиционных методов обработки, так и ответственных деталей гидравлической аппаратуры.

Рис. 35. Деталь с криволинейными масляными каналами,

выполненными по схеме представленной на рис. 34.

Рис. 36. Деталь с прошитым спиральным отверстием

и технологическая оснастка для ее изготовления

В частности, по типовой технологии плашки для нарезания резьбы должны направляться на термическую обработку с уже выполненными в них окнами. При этом зачастую происходит коробление перьев, следовательно, возникают и отклонения от заданных значений их пара-

метров. Эти погрешности исправляются последующей притиркой, которая является трудоемкой и достаточно дорогой технологической операцией. Этот недостаток может быть устранен, если окна прошиваются или вырезаются с помощью электроэрозионной обработки уже после проведения термической обработки инструмента (рис. 37). На рис. 1.6. показаны плашки для нарезания ответственных резьб, изготовленные из инструментальной стали (поз. 1) и твердого сплава (поз. 2). При этом технологический процесс электроэрозионной обработки выглядел следующим образом. В заготовке предварительно прошивается цилиндрическое отверстие диаметром на 0,2…0,3 мм меньше, чем обычно применяется под резьбу. Затем тремя резьбовыми медными электродами производится формирование резьбы, причем первый электрод удаляет 60 % припуска, второй - 30 %, а третий - 10 %. Профиль резьбы формируется по копиру, в качестве которого может выступать гайка с соответствующим шагом резьбы.

Рис. 37. Инструмент, окна которого выполнены

электроискровым методом

В детали, представленной на рис. 38, необходимо изготовить 12 эллипсовидных отверстий, при этом деталь должна быть подвергнута термической обработке. По традиционной технологии получение таких отверстий происходило следующим образом. На первом этапе сверлилось 12 отверстий, а затем деталь подвергалась закалке. После термической обработки или в процессе эксплуатации в са-

мом тонком месте перемычки возникали трещины, приводившие к тому, что деталь признавалась негодной. Применение электроэрозионной обработки позволило свести к минимуму количество дефектных деталей, т.к. обработка и получение отверстий производятся после термической обработки, когда перераспределение внутренних напряжений в поверхностном слое детали уже произошло.

Рис. 38. Деталь с прошитыми эллипсовидными отверстиями, обработка осуществлялась после термической обработки

5. Изготовление решеток, сит, фильтров

Очень часто, при изготовлении ракетно-космической и авиационной техники, возникает задача получения решеток или сит из нержавеющих материалов. Обычно такие детали изготавливались на операциях штамповки или сверления. Однако существенным недостатком таких технологических процессов являлось то, что при штамповке очень часто выходили из строя дорогостоящие пуансоны, диаметр которых не превышал 2…3 мм. Изготовление же отверстий такого диаметра механическим методом – сверлением непроизводительно и дорого.

Наиболее рациональный и приемлемый способ получения подобных деталей – многоконтурная или многоин-

струментальная электроэрозионная обработка. При этом все отверстия выполняются одновременно. Значительные затраты времени, по сравнению с обработкой давлением, окупаются простотой изготовления оснастки и безотказностью ее работы даже при условии, что необходимо изготовить решетки с отверстиями, у которых диаметр составляет несколько десятых долей миллиметра. По такому же принципу строится технологические процессы изготовления фильтров и сит. При этом в качестве электродов можно применять металлические щетки, применяемые обычно для очистки отливок. На рис. 39 представлена конструкция электрода-инструмента и изготовленная с его помощью из нержавеющей стали решетка. На рис. 40 представлены детали, сложноконтурные отверстия в которых получены с помощью многоэлектродной электроэрозионной обработки.

Рис. 39. Решетка и электрод-инструмент для ее изготовления

6. Маркирование деталей

Нанесение условных обозначений на детали в виде керновок, линий или указательных стрелок с помощью ударного клеймения зачастую приводит к браку деталей по сколу или вызывает дополнительные местные напряжения, что недопустимо для деталей, работающих в условиях интенсивных знакопеременных нагрузок. Нанесение обозначений с помощью электрографа не всегда обеспечивает хорошую четкость знаков. Кроме того, их качество целиком зависит от оператора.

Рис. 40. Тонкие детали с выполненнеми в них

сложнопрофильными отверстиями

Наилучшим способом, отвечающим всем технологическим требованиям, является маркирование с помощью электроэрозионной обработки. В зависимости от количества деталей, интервала времени их поступления и количества наносимых знаков, порядок маркировки может быть различным. Это может быть как одновременная маркировка нескольких знаков или даже фраз, когда станок для маркирования и инструмент уже настроены на обработку конкретного типоразмера детали, так и последовательное нанесение знаков при поступлении деталей различных типоразмеров.

В первом случае маркирование осуществляется с помощью наборных кассет, в которых закрепляются все наносимые знаки. Такие кассеты могут иметь различную конфигурацию, которая зависит от характеристик обрабатываемых поверхностей. На рис. 41 представлены конструкции наборных кассет. Цифрами на рис. 1.10 обозначено: 1 – двухрядная кассета с регулирующей направляющей для электродов, 2 – кассета с электродами, закрепленными на вращающемся диске, 3 – двухрядная кассета для жестких электродов, 4 – пример наносимых обозначений.

Рис. 41. Кассеты для электроэрозионного маркирования

деталей

7. Восстановление забракованных деталей и удаление поломанного инструмента

Производственная практика показала, что проблема восстановления деталей, забракованных в результате поломок инструмента или крепежных деталей, оставшихся в отверстии, может быть решена с помощью электроэрозионной обработки. Для удаления из детали сломанного метчика, развертки, сверла или любого другого подобного инструмента прошивается щель между перьями инструмента по его сердцевине. После этого необходимо удалить обе его половинки. Время удаления сломанного инструмента определяется его диаметром, глубиной и шириной прошивки. Для удаления из детали сломанной шпильки, болта, винта или любого другого крепежного предмета ЭИ выполняют в виде прямоугольника или треугольника и в торце удаляемой детали выполняют углубление. После этого сломанная деталь с помощью воротка вывертывается из изделия. Если производится удаление инструмента или крепежной детали из крупногабаритных изделий, то процесс протекает аналогично, с той лишь разницей, что вокруг удаляемого предмета выполняется местная ванночка из шпатлевки или замазки и заполняется рабочей жидкостью.

8. Обработка глухих углублений и удаление выступов после механической обработки

Электроэрозионная обработка глухих углублений (рис. 42) имеет свои характерные особенности. В связи с тем, что производится обработка глухих пазов и калибровать получаемые поверхности чистовой частью ЭИ, как это выполняется при прошивании сквозных отверстий, не представляется возможным, необходимо проводить периодическую калибровку электрода-инструмента. Это выполняется механической подрезкой изношенной части ЭИ после каждого прохода. Для обеспечения бесперебойности работы оборудования и повышения производительности обработки, в этом случае применяют многоэлектродную обработку, при которой каждый проход выполняется калиброванным инструментом, в то время как изношенный передается на участок коррекции.

Рис. 42. Детали с глухими пазами, обработанные

с помощью ЭЭО

Часто в машиностроении возникает проблема удаления выступов после механической обработки. Так при фрезеровании большого количества пазов большой длины и малого поперечного сечения с выходом фрезеруемого паза

в поперечную канавку, ширина которой меньше, чем требуется для выхода фрезы, возникла проблема удаления выступа, препятствующего нормальному течению потока реагентов по поверхности детали. Удаление такой, так называемой "застойной зоны", долблением или слесарными операциями приводило к значительному снижению качества получаемых поверхностей, и как следствие, - неудовлетворительным параметрам работы изделия. Применение многокомпонентного электрода-инструмента, позволяющего одновременно удалять "застойную зону" сразу во всех отфрезерованных пазах позволило эффективно решить.

Технологический процесс изготовления таких деталей выглядит следующим образом. На первом этапе все пазы на поверхности детали фрезеруются дисковой фрезой. После этого деталь устанавливается в специальном приспособлении, позволяющем ей свободно вращаться вокруг своей оси. Это сделано для случая обработки деталей, у которых обрабатываемые пазы расположены под углом к ее оси симметрии. На детали располагается многоэлектродный инструмент, который может совершать поступательные движения вдоль паза, при этом фиксация и позиционирование инструмента в пазах осуществляется либо с помощью фиксаторов, либо при малых геометрических размерах паза с помощью специального диэлектрического покрытия. После этого производится одновременное удаление проблемного выступа с обеспечением качественных границ выхода пазов в поперечную канавку.

Электрохимическая обработка материалов значительно расширяет возможности конструкторов и технологов про производстве деталей авиационной и ракетно-космической техники. Благодаря ее использованию зачастую удается не только существенно повысить качество по-

верхностного слоя детали, но и получить такие поверхности, создание которых другими способами невозможно.

1. Удаление заусенцев на труднодоступных и сложнопрофильных поверхностях.

При изготовлении топливомаслораспределительной аппаратуры, систем охлаждения и т.п. деталях остро стоит проблема удаления заусенцев, образовавшихся в местах сопряжения поверхностей различного диаметра. Заусенцы, образующиеся после механической обработки, в процессе эксплуатации устройств могут оторваться и попасть в жиклеры или сопла форсунок. Это может привести не только к выходу из строя изделия, но и его возгоранию и другим серьезным последствиям. Такие заусенцы необходимо устранить, а сопрягающие кромки скруглить. Для выполнения таких операций идеально подходит электрохимическая обработка, при этом происходит не только удаление заусенцев и скруглению кромок, но и снижению шероховатости поверхности, что в свою очередь, приводит к уменьшению гидравлических потерь и повышению качества работы двигателей. На рис. 43. представлены элементы охладительной системы, на внутренней поверхности которых выполнено удаление заусенцев с помощью электрохимической обработки.

Рис. 43. Элементы охладительной системы после

электрохимического удаления заусенцев

На рис. 44 представлены детали, у которых с помощью электрохимической обработки удалены заусенцы, полученные на предшествующих этапах механической обработки.

Рис. 44. Детали, у которых проведено удаление заусенцев

с помощью анодного растворения

2. Маркирование деталей

Маркирование деталей с использованием электрохимической обработки выполняется в основном по схеме с неподвижными электродами. Информация нереносится на поверхность детали путем копирования профиля на электродах или избирательным растворением металла в прорезях диэлектрического трафарета. Если применяется первая схема, то используется инструмент, представленный на рис. 45. Основное отличие такого инструмента от инструмента, применяемого при электроэрозионном маркировании деталей, заключается в нанесении изоляционного покрытия на те участки маркера, которые не принимают участия в процессе маркирования, а толщина таких участков равна величине межэлектродного зазора.

К преимуществам электрохимического маркирования деталей можно отнести следующее: простота изготовления ЭИ, высокая производительность процесса, четкость и кон-

трастность изображения; отсутствие износа инструмента; не создаются концентраторы напряжений, что особенно важно для ответственных и прецизионных деталей ракетно-космической промышленности, работающих в условиях интенсивных знакопеременных нагрузок; безопасность работы обслуживающего персонала.

Рис. 45. Электроды-инструменты для электрохимического маркирования деталей

В качестве электролитов при электрохимическом маркировании используются водные растворы нейтральных солей (более подробно о порядке выбора рабочих сред для ЭХО и маркирования в частности будет рассказано в следующих разделах).

3. Обработка пера лопаток энергетических машин

Электрохимическая обработка пера лопаток энергетических машин (турбин, компрессоров, турбонасосных агрегатов) получила в промышленности широкое распространение. Это связано с тем, что практически все лопатки имеют очень сложный профиль рабочих поверхностей и их финишная обработка традиционными методами сложна или просто невозможна. Применение анодного удаления припуска позволяет значительно снизить шероховатость поверхности любого профиля, что позволяет значительно повысить ресурс изделия.

По своей конструкции лопатки энергетических машин бывают с консольным закреплением и двухсторонним

закреплением. На рис. 46 –48 представлены обработанные лопатки с консольным и двухсторонним закреплением.

Отличительной особенностью электрохимического полирования профиля лопаток является то, что перед этой операцией уже должна быть законцена механическая обработка замка и бандажной полки.

Рис. 46. Лопатки энергетических машин консольного

и двухстороннего закрепления

Рис. 47. Лопатка большого размера с двухсторонним

закреплением

Использование электрохимической обработки позволяет в 1,5…1,6 раза сократить число операций механиче-

ской обработки деталей такого класса и в 1,2…1,6 раза знизить трудоемкость их изготовления.

Рис. 48. Обработанные и необработанные лопатки

энергетических машин

4. Полирование внутренних поверхностей

С помощью электрохимического полирования решена проблема финишной обработки деталей типа стаканов, клапанов, цилиндрических пружин прямоугольного профиля и других подобных деталей (рис. 49), изготовленных из труднообрабатываемых токопроводящих материалов и сплавов. При этом обрабатывается внутренняя поверхность деталей, которая до этого либо притиралась вручную, либо вообще не обрабатывалась.

Рис. 49. Деталь клапан, у которой с помощью ЭХО

отполирована внутренняя поверхность 1

При нарезании витков пружин прямоугольного профиля на их внутренней поверхности остаются заусенцы, а кромки витков не имеют радиуса скругления, который должен быть равен 0,3 – 0,7 мм. Кроме того, на поверхностях витков нарезаемых пружин от режущего инструмента остаются риски и царапины, которые ранее устранялись либо шлифованием, либо ручной доводкой, если расстояние между витками пружин было мало. При этом на внутренней поверхности витков образуются дефекты, которые снижают предел их выносливости в процессе эксплуатации. Электрохимическая обработка внутренних поверхностей прижин позволила не только снизить трудоемкость их изготовления, исключив ручной труд, но и повысить ресурс работы таких деталей на 20 – 25 % (рис. 50).

Рис. 50. Пружина, витки которой отполированы

с помощью ЭХО

Кроме того, универсальность электрохимической обработки позволяет производить полирование внутренних фасонных поверхностей (рис. 51). При этом применяют как схему ЭХО в нестационарном режиме.

Схему с неустановившимися режимами применяют для обработки внутренних поверхностей деталей неболь-

ших размеров (пальцы втулки, валики). При этом необходимо следить за тем, чтобы мощность источника питания была достаточна для одновременной обработки всей поверхности детали. Одновременно с полированием внутренней цилиндрической поверхности происходит притупление острых кромок отверстий.

Рис. 51. Детали с отполированной внутренней поверхностью

и электрод-инструмент для их обработки

5. Изготовление сит и деталей малой толщины

При производстве авиационной и ракетно-космической техники, возникает задача получения решеток или сит в тонких (пленочных) деталях. Обычно такие детали изготавливались на операциях штамповки или сверления. Однако существенным недостатком таких технологических процессов являлось то, что при штамповке очень часто выходили из строя дорогостоящие пуансоны, диаметр которых не превышал 2…3 мм, либо детали, толщина которых состовляет от 0,1 до 0,5 мм. Изготовление же отверстий такого диаметра механическим методом – сверлением непроизводительно и дорого.

Наиболее рациональный и приемлемый способ получения подобных деталей – многоконтурная или многоин-

струментальная электрохимическая обработка. При этом все отверстия выполняются одновременно, или производится анодное растворение всей площади, подлежащей удалению. Значительные затраты времени, по сравнению с обработкой давлением, окупаются простотой изготовления оснастки и безотказностью ее работы даже при условии, что необходимо изготовить решетки с отверстиями, у которых диаметр составляет несколько десятых долей миллиметра. По такому же принципу строится технологические процессы изготовления фильтров и сит.

На рис. 52 представлено сито, изготовленной с помощью электрохимической обработки и сложнопрофильная решетка. На рис. 53 изображены детали, полученые с помощью электрохимической обработки.

Рис. 52. Сито и решетка, полученные с помощью

электрохимической обработки

Применение нетрадиционных, или как их еще называют комбинированных методов обработки, как правило, связано с выпуском изделий оборонной промышленности. Несмотря на то, что большинство таких технологий имело узкую объектную направленность, были разработаны новые высокоэффективные процессы на основе новых физических явлений.

Рис. 53. Детали, обработанные с применением

электрохимической обработки

Это привело к качественному скачку в оборонных отраслях промышленности. При производстве товаров народного потребления такие технологии не применялись, что было связано с серьезными затратами на переподготовку персонала и приобретение нового оборудования.

В последние годы сложился новый подход к формированию нетрадиционных технологий путем их взаимного комбинирования. Целью разработки таких методов является возможность создания процессов обработки, которые обеспечиваю требуемые качественные показатели изготавливаемых деталей. При этом наряду с базовыми воздействиями на материал детали используются те или иные воздействия, позволяющие усиливать положительные черты и снижать недостатки традиционных видов обработки.

Такой подход позволил разработать около 20 новых видов комбинированных процессов. Теоретический анализ показывает, что уже при современном уровне развития науки и техники возможно проектирование около 800 высокоэффективных способов обработки, большинство из которых пока неизвестно.

Новые нетрадиционные технологические процессы в основном направлены на проведение финишно-отделочных операций ответственных узлов авиационной и ракетно-космической техники.

В качестве примера на рис. 54 представлен посадочный узел космического корабля многоразового использования "Буран". Для обеспечения высокого ресурса этой детали в качестве финишной обработки был применен метод гальваномеханического хромирования, снижающий вероятность появления концентраторов внутренних напряжений в поверхностном слое детали.

Рис. 54. Деталь обработанная с использованием

гальваномеханического хромирования

На рис. 55 представлены рабочие колесатурбонасосных агрегатов, труднодоступные полости которых обработаны с использованием метода электрохимикомеханической обработки рассыпающимся катодом. Такая обработка позволяет не только повышать качество поверхности, но и создавать гарантированное, заранее заданное значение микротвердости поверхностного слоя. Это приводит к улучшению гидравлических показателей течения рабочих сред и повышению ресурса поверхностей, работающих в условиях интенсивного знакопеременного нагружения.

Рис. 55. Детали до и после обработки с применением

рассыпающегося катода