2848

Оценка, отечественного станочного оборудования и средств технологического оснащения предыдущих лет выпуска показала, что на современном техническом уровне оно практически находится на достижении предельных границ по качеству и надежности изделий машиностроения различного назначения в пределах их жизненного цикла. Поэтому необходима разработка путей повышения этих показателей технологическими методами, для чего необходима разработка структуры управления качеством наукоемких изделий в пределах их жизненного цикла.

Изготовитель заинтересован в получении продукции высокого качества. На стадии изготовления требуется не просто поддерживать показатели качества и обеспечивать надежность объектов, но и систематически проводить научные прикладные работы по совершенствованию технологии, а, совместно с разработчиком, отрабатывать на технологичность по улучшению конструкции. Для улучшения показателей качества на стадии производства продукции необходимо из множества ограничений технологического, финансового и других видов выделить те, которые способствуют росту общего показателя качества изделий. А это может быть современное технологическое оборудование и оснащение производства, эффективная структура управления, кадры требуемого уровня и др.

Исследования по совершенствованию изделий затрагивают создателей, производителей и эксплуатационников, поэтому работы по повышению качества элементов того ли иного объекта должны производиться систематически с повышением показателей. По мере увеличения количества составляющих изделий с уровнем качества, который существенно превышающим уровень, заложенный в конструкции изделия, наступает время на модернизацию продукции или разработку и освоение новых изделий с повышенными характеристиками. Для изготовителя это сводится к своевременному завершению конструкции производства под новую продукцию. Поэтому производителю наряду с разработчиками необходимо отслеживать динамику роста качества составляющих и изделия в целом по отечественной и зарубежной информации и своевременно начинать технологическое перевооружение производства, планируя для этого материальные ресурсы, переподготовку кадров исполнителей, организационные и структурные преобразования.

Такая задача решена на Воронежском механическом заводе - филиале Государственного космического научно-производственного

51

центра им. М.В. Хруничева путем создания специального цеха на базе современных многофункциональных станков для изготовления прецизионных изделий ракетно-космической отрасли. Это потребовало отработку технологичности конструкций изделий и совершенствование технологической подготовки производства.

На участке используется универсальный пятикоординатный фрезерный станок модели DMU 80 с поворотной головкой ля обработки сложнопрофильных корпусных деталей, основные технические характеристики которого представлены ниже. На таком станке обрабатываются крыльчатки и шнеки, заготовками которых являются отливки из нержавеющей стали 12Х18Н9Т. К крыльчаткам предъявляются повышенные требования по точности профиля лопатки и по их толщине. Требования точности обеспечиваются обработкой за одну операцию за два установа, а требования по шероховатости – за счет задания оптимальных режимов обработки. Обработка на таком станке позволила исключить ряд ранее применявшихся шлифовальных операций. Подобно обрабатываются и шнеки.

Универсальный пятикоординатный токарно-фрезерный станок с противошпинделем модели СТХ 1250 для высокоточной обработки сложнопрофильных деталей с техническими характеристиками применяется для изготовления штуцеров из алюминиевых отливок. Штуцеры обрабатываются полностью как снаружи, так и внутри за одну технологическую операцию. При этом обеспечивается требования по точности взаимного расположения поверхностей.

Вертикальный обрабатывающий центр модели STM 6010 L с характеристиками применяется для обработки длинномерных деталей типа «траверса».

Требуемое качество обработки обеспечивается применением приданого к оборудованию технологического оснащения. Но расширить технологические возможности, на наш взгляд позволит использование магнитно-реологических жидкостей и создание на их базе универсальной самоформирующейся оснастки [2]. Так при закреплении обрабатываемых заготовок из немагнитных материалов применение реологических сред позволяет устранять погрешности предшествующих этапов обработки за счет заполнения зазоров между базовыми поверхностями заготовки и опорами приспособления реологическими средами с высокой текучестью и стабилизации положения баз после создания внешним полем состояния среды с высокой вязкостью.

52

На сегодняшний день применение таких приспособлений нераспространено широко, но явные преимущества подобного вида оснастки ставят вопрос об обоснованной целесообразности ее освоения и внедрения в металлообработке, особенно в условиях гибкоструктурного производства. Это новый подход к решению вопросов отработки технологичности изделий. Все это позволяет сократить время на технологическую подготовку производства и повысить показатели качества обработки (точность, шероховатость, состояние поверхностного слоя), при этом существенно снизив затраты на разработку и изготовление технологической оснастки.

Как известно, к способам управления качеством изделий относятся способы управления воздействиями. Управление воздействиями может быть однопараметрическим (например, путем регулирования какого-то составляющего режима) и много параметрическим, заметно расширяющим технологические возможности для повышения уровня качества объектов обработки.

Особенно значительные возможности имеют современные комбинированные методы, позволяющие одновременно формировать основные показатели качества объекта обработки. При этом следует рассматривать различные воздействия (как по виду, так и по интенсивности), которые могут позволить достичь предельного значения одного из показателей, но слабо повысить (или в ряде случаев и понизить) другие значимые показатели качества (например, получить перенаклеп поверхностного слоя). Поэтому необходимо найти совместный эффект используемых в методе воздействий, который обеспечивает требуемые показатели качества. В числе ограничений используют технологические и экономические факторы, минимизацию негативного воздействия на окружающую среду.

Как известно из технологии машиностроения, механическое воздействие занимает более половины трудоемкости при изготовлении деталей машин. Поэтому повышение его технологических показателей за счет комбинирования с другими видами воздействий может дать наибольший эффект и открывает новые пути по расширению технологических возможностей производства при создании наукоемкой конкурентоспособной продукции. Расширить технологические возможности и получить зачастую качественно новый эффект позволяют методы комбинированной обработки [3].

Комбинированные методы обработки являются сочетанием различных технологических приемов, в каждом из которых исполь-

53

зуются и усиливаются положительные признаки, необходимые для технологического процесса изготовления детали. В качестве признаков, подлежащих усилению, может выступать любой технологический параметр обработки или их сочетание. При различном сочетании магнитного, химического, механического и теплового воздействий создана гамма комбинированных методов (около 20).

Сочетая лучшие черты исходных методов и управляя воздействиями, удается с высокой производительностью изготовлять детали, имеющие высокую точность формы и размеров, низкую шероховатость поверхности, высокие эксплуатационные характеристики поверхностного слоя.

Повышение качества, а, следовательно, и надежности наукоемких изделий технологическими методами и средствами является основой для производства конкурентоспособной продукции машиностроения.

Литература

1.Бондарь А.В. Качество и надежность – М.: Машинострое-

ние, 2007. – 308 с.

2.Смоленцев В.П. Перспективы использования реологической жидкости в машиностроении / В.П. Смоленцев, А.А. Болдырев

//Нетрадиционные методы обработки: межвуз. сб. науч. трудов. Вып. 9. ч. 2. М.: Машиностроение, 2009. С. 95-104.

3.Комбинированные методы обработки / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, А.В. Кузовкин и др.; под ред. В.П. Смоленцева. Во-

ронеж: ВГТУ, 1996. 168 с.

Воронежский государственный технический университет

Воронежский механический завод

УДК 621.09

А.И. Коптев, А.В. Кузовкин

ИССЛЕДОВАНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ПРЕРЫВИСТОМ РЕЗАНИИ

Обобщены результаты исследований по поведению твердосплавного инструмента в условиях прерывистого резания. Материалы работы используются на Воронежском механическом заводе при нарезании мелкомодульных зубчатых колес твердосплавными долбяками.

54

Большинство операций механической обработки, в том числе все операции по нарезанию зубчатых колес, осуществляются в условиях прерывистого резания. Учитывая условия производства Воронежского механического завода, работа велась в направлении изучения поведения твердосплавного инструмента при нарезании зубьев мелкомодульных зубчатых колес.

В результате исследований процесса прерывистого резания инструментом из быстрорежущих сталей было установлено, что сущность процесса резания в этих условиях остается той же, что и при работе на токарных станках, а стойкость инструмента лишь незначительно зависит от прерывистости, и поэтому только при работе на поперечно-строгальных станках рекомендуется снижать скорость резания примерно на 25% от скорости при токарной обработке [1].

Характер износа инструмента из твердых сплавов, имеющих, наряду с высокой износостойкостью при повышенных температурах сравнительно низкие механические свойства, в условиях прерывистого резания существенным образом отличается от износа быстрорежущих сталей. Статистика, ведущаяся на машиностроительных предприятиях, показывает, что поломки твердосплавного режущего инструмента при точении составляют 40 - 50%, при фрезеровании – 60 - 70%, a при строгании – 80 - 90%. Даже при точении с равномерным припуском наблюдаются случаи выкрашивания и поломки пластин [2].

На наш взгляд особенностью прерывистого резания является ударное воздействие на инструмент в момент его врезания в деталь. В работе [3] было проведено сравнение сил, полученных при ударе свободно падающего тела и ударе при резании на специально оборудованном магнитном копре и на строгальном станке. Это позволило сделать вывод о том, что процессы, протекающие в обоих случаях, схожи между собой, однако при строгании наблюдается наличие установившейся постоянной силы, соответствующей периоду постоянного резания. По мнению авторов этого исследования, отрицательные последствия удара в момент врезания инструмента в деталь характеризуются, наряду с другими факторами, изменением времени нарастания нагрузки.

Другие исследования прерывистого резания показали, что процесс врезания резца существенно отличается от упругого удара твердых тел, так как в этом случае вслед за упругими деформациями наступают пластические деформации [4]. Проведенные эксперимен-

55

ты показали резкое (скачкообразное) возрастание нагрузки в момент первоначального контакта резца с деталью, после чего сила резания уменьшалась и оставалась практически неизменной до окончания резания. При этом авторами отмечалось, что сила резания в момент врезания значительно увеличивается с увеличением твердости обрабатываемого материала, сечения снимаемой стружки, подачи, глубины и скорости резания. Такое кратковременное повышение нагрузки на резец при его врезании в деталь, по мнению авторов, вызвано превышением динамического предела текучести σт.д. над статическим сопротивлением материала разрушению σт.ст.. Поэтому отношение силы врезания к силе резания пропорционально отношению σт.д./σт.ст.. Сила резания и контактное давление на режущую кромку инструмента в момент первоначального контакта может увеличиваться более чем в 2 раза по сравнению с нагрузкой при стабильном резании.

Скалывание режущей части инструмента при прерывистом резании в значительной степени определяется углом заострения β и передним углом γ. Толщина реза а оказывает большее влияние на скалывание, по сравнению с шириной среза в, а скорость резания и среда влияют в меньшей степени. Исходя из этого, можно сделать предположение о том, что при данном угле заострения резцу с большим передним углом соответствует большая предельная толщина среза, так как в этом случае силы резания уменьшаются и, следовательно, уменьшаются напряжения в режущей части инструмента.

Для снижения отрицательного действия ударных нагрузок и более плавного входа резца в заготовку и выхода из нее угол наклона главной режущей кромки λ у строгальных резцов выбирается всегда положительный в пределах 10 - 12°. Повышение стойкости инструмента, работающего в условиях прерывистого резания, возможно за счет увеличения сечения резца: углы резания увеличивают на 5 - 10° по сравнению с нормативными, а радиусы закругления вершины доводят до 1,5 - 2 мм [5].

Колебание силы резания наблюдается не только в момент врезания инструмента в деталь, но и вследствие вибраций, возникающих при резании [6]. При врезании нагружение инструмента носит пульсирующий характер, а при резании - ассиметричный знакопостоянный. Коэффициент ассиметрии цикла нагружения равен 0,6 - 0,9 при низкочастотных колебаниях и 0,9 - 0,98 - при высокочастот-

56

ных, частота колебаний находится в диапазоне от 1 до 20 кГц. В этих условиях сопоставление разрушения образцов при циклической нагрузке и разрушения режущего инструмента при резании труднообрабатываемых сталей и сплавов позволяет рассматривать разрушение инструментов как разрушение от повторно-переменной нагрузки. При изучении поверхностей износа резцов, изготовленных из различных марок твердых сплавов (при увеличении в 60 - 200 раз), обнаруживаются микротрещины, являющиеся начальными усталостными трещинами, приводящими к усталостному разрушению. На поверхности инструмента наблюдаются кратеры разрушения, характерные для поверхностного усталостного разрушения (питтинга). Это позволяет сделать вывод о том, что в условиях прерывистого резания износ твердосплавного инструмента может быть результатом статического нагружения, усталости или удара. Для характеристики прочности инструментального материала необходимо использовать такие понятия как предел выносливости σu и ударная вязкость aн [6]. Оценка работоспособности твердого сплава при ударных нагрузках, кроме прочностных характеристик, может быть описана способностью сплава к пластической деформации.

Прочность режущих кромок инструментов при действии переменных нагрузок может быть оценена без осуществления процесса резания путем испытаний на специальных установках по схемам нагружения, приведенным на рис. 1 [7].

а) б) в)

Рис. 1.1. Схемы нагружения при испытании прочности режущих кромок инструмента без осуществления резания

Несмотря на то, что эпюра контактных напряжений в этих условиях отличается от реальной, напряжения в опасном сечении,

57

согласно принципу Сен-Венана соответствуют действительным, а характер разрушения твердосплавных образцов при таких испытаниях такой же, как и при эксплуатации режущего инструмента, и относится к хрупкому разрушению [7]. Это послужило одним из доказательств возможности использования этих методов исследований для оценки прочности режущих кромок инструмента. К достоинствам этих методов относится значительное сокращение расхода инструментальных материалов и простота определения раздельного влияния на сопротивление режущих кромок контактному разрушению направления равнодействующей силы резания, характеристики цикла нагружения, геометрии режущих кромок, размеров контактных поверхностей, температуры зоне резания. Результаты по исследованию усталостной прочности твердых сплавов на специальной гидравлической установке при нагреве до 673 - 873°К (400 – 600°C) позволили установить:

а) на выносливость различных материалов влияют шероховатость, направление штрихов, напряжение и метод обработки;

б) усталостная прочность имеет максимальное значение при

473°К (200°С);|

в) наибольший предел выносливости при повышенных температурах имеют сплавы TT7K12, ТТ10К8Б, T5K12B, а наименьший - сплав Т15К6.

Результаты, полученные авторами позволяют считать целесообразным применение указанных материалов для изготовления на инструментальном производстве Воронежского механического завода мелкомодульных твердосплавных долбяков, пригодных в дальнейшем для выпуска зубчатых колес с мелким модулем, применяемых в специзделиях.

Литература

1.Вульф А.М. Резание металлов. - Л.: Машиностроение,

1973. – 496 с.

2.Куклин Л.Г., Сагалов В.И., Серебровский В.Б. Повышение прочности и износостойкости твѐрдосплавного инструмента. - М.: Машиностроение, 1968.- 140 с.

3.Ильченко Н.Я., Мироненко А.С., Петрусенко Л.А. К вопросу об ударе при прерывистой обработке металлов резанием. Надежность режущего инструмента. - Киев: Вища школа. 1975, С. 111 - 113.

58

4.Куклин Л.Г., Сагалов В.И., Серебровский В.Б. и др. Повышение прочности и износостойкости твердосплавного инструмента. - М.: Машиностроение, 1968. - 140 с.

5.Грановский Г.И. Резание металлов. - М.: Высш. шк. , 1985.

-304 с.

6.Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. - М.: Машиностроение, 1970. - 352 с.

7.Хает Г.Л. и др. Сборный твердосплавный инструмент./ Под редакцией Хаета Г.Л.: - М. Машиностроение, 1989. - 256 с.

Воронежский государственный технический университет Воронежский механический завод

УДК 621.9.047.7

А.А. Коровин, Е.В. Смоленцев

ПОЛУЧЕНИЕ ТУРБУЛИЗАТОРОВ ПОТОКА ОХЛАДИТЕЛЯ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТЕПЛООБМЕНА ДЕТАЛЕЙ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Рассматриваются проблемы интенсификации теплообмена между термонагруженными элементами узлов жидкостных ракетных двигателей и компонентом-охладителем с помощью выступов-турбулизаторов потока, а также эффективные методы получения данных выступов.

Проблема интенсификации теплообмена между различными функциональными системами изделий имеет место во многих отраслях машиностроения. Однако наиболее остро данная проблема стоит в области двигателестроения, где процессы теплообмена играют наиважнейшую роль в энергоэффективности и надежности изделий.

В данной статье изложены исследования, которые велись в области повышения эффективности охлаждения узлов жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) в рамках гранта Президента РФ для поддержки молодых ученых-кандидатов наук МК-283.2010.8.

Интенсификация охлаждения камеры сгорания, сопла, форсунок и т.д. жидкостных ракетных двигателей – одно из наиболее перспективных направлений их дальнейшего развития. В настоящее время охлаждение данных элементов производят с помощью раз-

59

личных методов, в числе которых: создание тепловых завес внутри термонагруженных узлов; транспирационное охлаждение, основанное на использовании специальных пористых материалов, через которые прокачивается охлаждающая жидкость; защита термостойкими покрытиями; использование аблирующих покрытий, разлагающихся под действием теплового потока и уносящего долю тепловой энергии; емкостное охлаждение; наружное радиационное охлаждение и ряд других схем и их комбинаций [1, стр. 411-419]. Однако наиболее эффективным на данный момент методом является защита стенок камеры сгорания, сопла, форсунок проточным охлаждением одним из компонентов топлива [1, стр. 409] – жидкий или газообразный компонент, протекая по каналам между термонагруженным элементом и специальной рубашкой, уносит с собой часть тепловой энергии. Типовые каналы охлаждения оболочки камеры сгорания представлены на рисунке 1. Данные каналы могут иметь прямолинейную (рисунок 1, б) или пространственноизогнутую (рисунок 1, в; рисунок 1, г) ось.

При охлаждении узла двигателя проточной жидкостью или газом на поверхности теплообмена происходит процесс теплопередачи от стенки изделия к компоненту. Интенсивность данного процесса зависит от множества факторов, наиболее существенными из которых являются свойства прокачиваемой жидкости или газа (теплопроводность, теплоемкость, вязкость и т.д.), свойства материала охлаждаемого узла, скорость течения компонента в канале, режим его течения (ламинарный или турбулентный) и т.д. При этом наиболее широкие возможности повышения эффективности теплообмена без существенного ухудшения других характеристик изделия предоставляются при создании турбулизаторов потока компонента топлива по длине канала. Данные элементы показаны на рис. 2.

В большинстве случаев выступы-турбулизаторы имеют небольшую высоту, т.к. необходима турбулизация только тонкого пристеночного ламинарного подслоя, иначе существенно возрастает гидравлическое сопротивление канала и характеристики изделия ухудшаются. К тому же теплообмен наиболее быстрыми темпами происходит именно в пристеночном слое, что также говорит о целесообразности турбулизации именно данного участка потока. Как показывает опыт работ в рассматриваемом направлении, форма бугорков не оказывает существенного влияния на интенсивность теплообмена [1, стр. 436], при этом высота выступов и частота их сле-

60