Технологічні особливості забезпечення якості та продуктивності обробки складнопрофільних і тонкостінних деталей полімерно-абразивними інструментами

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 − технологія машинобудування – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", МОН України, Харків, 2019. Дисертацію присвячено вирішенню важливої науково-технічної проблеми технологічного забезпечення підвищення якості оброблюваних поверхонь складнопрофільних і тонкостінних деталей, що привалюють в авіадвигунобудівній, медичній, приладобудівній та інших галузях, а також підвищення продуктивності фінішного етапу технологічного процесу їх виготовлення за допомогою щіткових полімерно-абразивних інструментів. У дисертаційній роботі вперше експериментально підтверджено математичні моделі температурного і силового впливу на оброблювану поверхню, запропоновано комбінувати полімерно-абразивні щітки (ПАЩ) різних видів, як послідовно, так і одночасно для досягнення необхідної якості і високої продуктивності. Запропоновано метод визначення температури розм'якшення і плавлення волокон для регламентації температурного обмеження роботи з щітковими інструментами, що дозволяє зберігати їх працездатний стан. Обґрунтовано умови силової взаємодії при обробці полімерно-абразивними щітками. На основі системного аналізу і узагальнення досвіду фінішного етапу виготовлення і ремонту тонкостінних і складнопрофільних деталей сформульовано та обґрунтовано теоретичні і практичні принципи методу механічної обробки із застосуванням інструменту обертальної дії на основі полімерно-абразивних волокон, що забезпечує високу якість і продуктивність. На підставі комплексного дослідження характеристик поверхневого шару і впливу на них технологічних чинників у взаємозв'язку з певною послідовністю застосування ПАЩ з різними характеристиками, були встановлені закономірності зміни параметрів якості і раціональні режими різання для обробки ПАЩ різних матеріалів. Розроблено технологічні рекомендації щодо використання ПАЩ для різних матеріалів – сталей, алюмінію і сплавів на його основі, жароміцних нікелевих і титанових сплавів; тонкостінних і складнопрофільних деталей з вищеназваних матеріалів; ремонтного виробництва – зняття нагару, термопокриття, видалення задирок із складнопрофільних поверхонь і крайок, а також зняття окисних плівок, травленого шару і покриттів тонкостінних деталей складних просторових форм. У першому розділі проведено аналіз відомих на даний момент методів і інструментів фінішної обробки для тонкостінних і складнопрофільних деталей. Встановлено, що гідною альтернативою є застосування щіткових інструментів обертальної дії на основі полімерно-абразивних волокон. За результатами аналізу наукової літератури, присвяченої дослідженню впливу різних чинників на ефективність, продуктивність, працездатність ПАЩ, на якість оброблених за їх допомогою поверхонь деталей, встановлено, що через те, що ПАЩ відносно нещодавно з'явились на ринку інструментів, інформація щодо них загальна, іноді суперечлива, деякі теоретичні викладення не отримали необхідного експериментального підтвердження, детальних рекомендацій застосування ПАЩ для обробки тонкостінних деталей або певних важкооброблюваних матеріалів немає, як і досліджень властивостей поверхневого шару деталей після обробки ПАЩ. У зв'язку з недостатністю технічної і технологічної інформації є необхідним проведення подальшого вивчення ПАЩ з точки зору обробки тонкостінних виробів складного профілю, виконаних у тому числі з важкооброблюваних матеріалів, для чого були сформульовані основні завдання дослідження і була розроблена структурно-логічна схема дисертаційної роботи. У другому розділі описано основні методичні прийоми вивчення параметрів якості поверхні і властивостей поверхневого шару після фінішно-оздоблювальної обробки ПАЩ. Приведено ескізи зразків для випробувань, а також основні умови проведення експериментів, устаткування, оброблювані матеріали і різноманітні ПАЩ, використовувані в роботі. Описано спосіб відновлення різальних властивостей ПАЩ. Проведено порівняння взаємодії абразивних зерен, закріплених жорстко і пружно, а також картину обробленої поверхні на поперечній подачі. Проаналізовані відмінності отриманих зон постконтактних поверхонь на зразках. Розроблено методику взаємодії "ПАЩ-зразок" в динамічному модулі ANSYS LS-DYNA, що дозволило провести аналіз впливу параметрів ПАЩ і режимів обробки на напружено-деформований стан системи "інструмент-зразок" за допомогою нелінійного аналізу пакету ANSYS (модуль LS-DYNA). У третьому розділі проведено дослідження впливу режимів і умов обробки, а також параметрів ПАЩ на одержувану шорсткість поверхні; визначено раціональні режими обробки і параметри ПАЩ (виліт L і діаметр dв волокон, зернистість F і матеріал абразиву ПАЩ; подача S, натяг i, швидкість V і кількість подвійних ходів N, ЗОТС) відповідно до поставленої мети фінішної обробки для зразків з різних матеріалів, а також для комбінованої обробки ПАЩ. Встановлено наявність зміцнювального ефекту, зокрема, наведення сприятливих властивостей поверхневого шару на глибині до 20...50 мкм при обробці дисковими ПАЩ на раціональних режимах: ступінь поверхневого наклепу досягала 12...15%, стискаючі залишкові напруження -175...-40 МПа. Проведено статистичну обробку отриманих даних, яка підтвердила раніше передбачувану відмінність впливу ПАЩ з різним вилітом волокон – коротким (L=8 мм) і довгим (L=32 мм). Визначено режими, варіюючи якими можна значно впливати на параметри якості поверхневого шару – за значимістю: натяг i, швидкість V, подача S. Проведено оцінку ступеня шаржування поверхні неметалічними включеннями після обробки ПАЩ, яка показала, що невисокого силового і теплового впливу ПА волокон недостатньо для глибокого вдавлення абразивних частинок в поверхню, тому шаржування практично не відбувається. Також встановлено раціональні режими (V=15...18 м/с, Sпр=1 м/хв, i=1,5...2 мм, N=3...7 подв.х.) і параметри ПАЩ (L=30 мм і більше, dв=1 мм) для якісного видалення задирок і заокруглення гострих крайок складних геометричних форм ПА щітками. У четвертому розділі розроблено пристрій і методику визначення критичних температур розм'якшення і плавлення полімерно-абразивних волокон, що безпосередньо впливають на їх працездатний стан. Пристрій простої конструкції дозволяє перевіряти термостійкість дроту, волокон, проводів з різних матеріалів. Температура розм'якшення досліджених ПА волокон різних фірм-виробників, при якій знижуються експлуатаційні властивості волокон, склала 55...120 °С. Запропоновано методику і розроблено пристрій, що дозволяє вимірювати температуру в зоні контакту щітки і зразка при обробці ПАЩ. Для матеріалів, що мають різні теплофізичні властивості (сталі, алюмінієві, титанові і нікелеві сплави), визначено обмеження щодо режимів обробки і параметрів ПАЩ. Підтверджено невисокий рівень теплового впливу на зразок (менше 80 °С) при застосуванні раціональних режимів і умов обробки. Для одиничного волокна було визначено радіальну силу першого удару при вході в контакт зі зразком за допомогою аналітичного розрахунку, комп'ютерного моделювання та експериментальних досліджень. Вона склала 0,65...1,3 Н, що при зосередженій локальній ударній дії є достатнім для отримання зміцнювального ефекту. Для вивчення силового впливу ПАЩ розроблено оригінальний динамометр, який можна використовувати для вимірювання постійних сил, що діють на зразок, але особливу цінність він має при вимірюванні змінних зусиль, особливо, які змінюються в короткі проміжки часу. Встановлено, що при обробленні на досліджених діапазонах режимів дискові ПАЩ не мають значного силового впливу на оброблювану поверхню (не більш 100 Н), тому такий вид фінішної обробки можна рекомендувати для тонкостінних деталей. У п'ятому розділі розроблено оригінальні спеціальні і універсальні пристосування для закріплення деталей ГТД специфічної форми і обробки їх ПА щітками. Розроблені технологічні рекомендації щодо застосування ПАЩ для фінішної обробки тонкостінних складнопрофільних деталей з різних, у тому числі і важкооброблюваних, матеріалів можна без доопрацювання включати в технологічні процеси виготовлення і ремонтного відновлення: дисків ГТД, лопаток ГТД, зубчастих коліс, "зірочок", корпусів, радіаторів тощо з метою підвищення ефективності фінішної обробки вищеописаних і подібних до них деталей. Застосування ПАЩ для досліджених складнопрофільних і тонкостінних деталей скорочує час фінішної обробки в 2…10 разів, собівартість операцій в 2…4 рази. Також більшість операцій були механізовані, що дало можливість повністю відмовитися від ручної праці або значно скоротити її частку від загальної тривалості фінішного етапу виготовлення або ремонту деталей.Thesis for the scientific degree of the Candidate of Technical Science in specialty 05.02.08 − Manufacturing Engineering − National Technical University "Kharkiv polytechnic institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2019. The thesis is devoted to the solution of the important scientific and technical problem of technological provision of improving the quality of the machined surfaces of complex profile and thin-walled parts, which predominate in aviation-building, medical, instrument-making and other industries, and improving the productivity of the finish stage of the technological process of manufacturing such parts with brush polymer-abrasive tools. For the first time in the thesis, mathematical models of temperature and force influence on the treated surface were experimentally confirmed. It is proposed to combine polymer-abrasive brushes (PAB) of different types both sequentially and simultaneously to achieve the required quality and high performance. A method for determining the softening and melting temperature of fibers is proposed to regulate the temperature limitation of brush tools, which allows them to remain in working condition. The conditions of force interaction in the processing with polymer-abrasive brushes are substantiated. Theoretical and practical principles of the method of machining using the tool of rotational action on the basis of polymer-abrasive fibers are provided and substantiated with systematic analysis and generalization of experience of the finishing and repair of thin-walled and complex-profile details. The rational processing modes and regularities of quality parameters change for processing of parts from different materials with PAB were established on the basis of a complex study of the surface layer characteristics and the impact of technological factors on these characteristics in connection with a specific sequence of using of PAB with different parameters. Technological recommendations were developed to use PAB on various materials (steels, aluminum and alloys based on it, heat-resistant nickel and titanium alloys), for thin-walled and complex-profile parts made of the above mentioned materials and for repair production (removal of soot, thermal-covering, oxide films, etched layer and coatings of thin-walled parts of complex spatial forms and removal of burrs from complex-profile edges). In the first section: an analysis of the currently known methods and tools for finishing of thin-walled and complex parts was carried out. It has been established that the using of rotary brush tools based on polymer-abrasive fibers is a worthy alternative to other finishing tools. An analysis of the scientific literature about the study of the influence of various factors on the efficiency, productivity, quality of decoration and the PAB performance showed that information about them is general, sometimes contradictory. Some theoretical calculations do not have the necessary experimental confirmation. There are no detailed recommendations on the using of PAB for processing thin-walled parts or certain hard-to-handle materials, and detailed studies the of the surface layer properties of parts after finishing with PAB because that PAB appeared on the tool-market relatively recently. It was established that further study of PAB is necessary from the point of view of processing thin-walled and complex-profile parts of made, including from hard-to-handle materials, due to the lack of technical and technological information. The main objectives of the research were formulated and the structural-logical scheme of the thesis was developed. The second section is devoted to the description of the main methodological methods for studying the parameters of surface quality and the surface layer properties of the after finishing with PAB, sketching of test samples, as well as the basic conditions of the experiments, equipment, materials and types of PAB. The proposed method for restoring the cutting properties of such tools makes it possible to profile PAB. The study of the surface pattern treated on a transverse feed showed differences in the obtained post-contact zones on the samples when comparing the interaction of abrasive particles which were fixed rigidly and elastically. The developed "PAB-sample" interaction methodology in the ANSYS LS-DYNA dynamic module made it possible to analyze the influence of PAB parameters and processing modes on the stress-strain state of the sample. In the third section: The second section The study of the influence of the processing modes and conditions, and PAB parameters on the resulting surface roughness made it possible to determine the rational processing conditions and PAB parameters (length L and diameter d of fibers, abrasive material and his grit F, feed S, tightness i, speed V and the number of double moves N, cutting lubricant) in accordance with the intended purpose of finishing for samples from various materials, as well as for combined processing with PAB. The presence of a hardening effect when processing with disk PAB in rational modes is established. In particular, there are the favorable properties of the surface layer to a depth of 20...50 μm: the degree of surface hardening reached 12...15%, compressive residual stresses -175...-40 MPa. The results of statistical calculating of the obtained data confirmed the previously assumed difference in the effect of PAB with different fiber length: short (L = 8 mm) and long (L = 32 mm) and helped to find out the modes which can significantly change the surface layer quality: tightness i, speed V, feed S. Assessment of the degree of surface impregnation with nonmetallic grains after PAB treatment showed that the low power and thermal effects of PA fibers are not sufficient for deep impregnating of abrasive grains or them particles into surface, so impregnation practically was not observed. Rational modes (V = 15...18 m/s, Spr = 1 m/min, i = 1.5...2 mm, N = 3...7) and parameters PAB (L = 30 mm an more, d = 1 mm) were installed for high-quality deburring and rounding of sharp edges of complex geometric shapes with disk PA brushes. In the fourth section: A device and method for determining critical softening and melting temperatures, which directly affect the healthy state of polymer-abrasive fibers, have been developed. The device has a simple design and allows to check the heat resistance of wires and fibers of different materials. The softening temperature of the studied PA fibers, made by various manufacturers, when the operational properties of the fibers are reduced, was 55…120 °C. Alike technique and device was developed to measure the temperature in the contact zone of the brush and the sample during processing. Limitations of processing conditions and parameters of PAB are defined for materials having different thermo-physical properties (steel, aluminum, titanium and nickel alloys). A low level of thermal effect on the sample (less than 80 °C) is confirmed by the application of rational treatment conditions and modes. The radial force of the first impact of a single fiber was determined upon contact with the sample using analytical calculations, computer simulations, and experimental studies. It amounted to 0.65...1.3 N, which with a concentrated local impact is sufficient to obtain a hardening effect. The original dynamometer is designed to measure the forces acting on the sample during processing with PAB. Its special value is the definition of variable efforts, especially those that change at short intervals. It is proved that processing in various modes with disk PAB does not have a significant force effect on the sample surface (does not exceed 100 N), therefore this type of finishing can be recommended for thin-walled parts. In the fifth section: Original special and universal devices are designed to fix GTE details of a specific shape and process them with PA brushes. The developed technological recommendations for the using PAB for finishing thin-walled complex parts from various materials, including hard-to-handle materials, can be included without modification of technological processes in the manufacturing and repair of disks and blades of a gas turbine engine, gears, sprockets, cases, radiators, etc., in order to increase the efficiency of their processing. The using PAB for finishing the studied complex-profile and thin-walled parts reduces the processing time by 2...10 times, the cost of operations by 2...4 times. Also, most of the operations were mechanized. It allowed to completely abandon manual labor or significantly reduce its share of the total duration of the finishing stage of manufacturing or repair of parts.