Удосконалення фінішного оброблення каналу кутових хвилеводів за допомогою полірування полімерно-абразивними щітковими інструментами

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 – Галузеве машинобудування – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», МОН України, Харків, 2021. Дисертацію присвячено вирішенню важливої науково-технічної проблеми удосконалення фінішного оброблення каналу в навколошовних зонах кутових хвилеводів, що є одним з головних компонентів радіолокаційних станцій, підвищенню продуктивності та зменшенню собівартості за допомогою полірування полімерно-абразивними щітковими інструментами обертальної дії. На основі системного аналізу і узагальнення досвіду фінішного оброблення каналів кутових прямокутних хвилеводів сформульовано, обґрунтовано, теоретично і практично розроблено фінішний етап виготовлення каналу із застосуванням щіткових інструментів обертальної дії на основі полімерно-абразивних волокон, які забезпечують високу якість і продуктивність та знижують собівартість виготовлення. Отримано подальший розвиток положення щодо технологічних можливостей автоматизованого та механізованого оброблення полімерно-абразивними щітками (ПАЩ) складнопрофільних деталей з важкодоступними ділянками, таких як прямокутні кутові хвилеводи, з метою формування високих експлуатаційних характеристик, скорочення долі ручної праці та підвищення продуктивності оброблення. Розроблено моделі прогнозування отриманої шорсткості поверхні каналу та електричних параметрів хвилеводів на основі дослідження якості поверхні і властивостей поверхневого шару натурних зразків та каналу кутових прямокутних хвилеводів після полірування різними інструментами, в тому числі ПАЩ, що дає можливість ефективно застосовувати фінішне оброблення цими інструментами. У дисертаційній роботі вперше розроблено модель впливу режимів оброблення, параметрів інструменту та властивостей оброблюваного матеріалу на інтенсивність зношення волокон дискових та йоржикових ПАЩ, яка дає можливість забезпечити високу якість і продуктивність за допомогою своєчасного корегування натягу при автоматизованому обробленні, мінімальне зношення ПАЩ і, відповідно, високу працездатність цих інструментів. Розроблено установки та методики дослідження циклічної довговічності волокон ПАЩ і температур в зоні закріплення волокон в маточині для визначення причин їх руйнування і відриву. Впровадження удосконаленого фінішного оброблення ПАЩ дозволило підвищити якість поверхонь навколошовних зон каналу кутових вигинів, не зменшуючи електропровідність поверхневого шару, що зменшило втрати в хвилеводах. У першому розділі розглянуто особливості конструкцій прямокутних кутових хвилеводів, які переважно застосовуються в радіолокаційних станціях (РЛС) через свою просторову компактність, але при цьому вони мають велику кількість з’єднувальних швів. Розглянуто технологію їх виготовлення, яка передбачає зварювання або паяння секцій прямокутних труб (які в стані постачання мають необхідні вимоги точності і якості поверхні каналу) між собою і до приєднувальних фланців. Було встановлено, що при зварюванні або паянні секцій хвилеводів в зоні шва виникають деформації і дефекти поверхні, які усуваються наступним фінішним обробленням, в той час як решта каналу цього не потребує. Встановлено, що електричні параметри в хвилеводах залежать не тільки від електропровідності і магнітної проникності матеріалу, а й від якості оброблення струмопровідних поверхонь. Встановлено, що основним і остаточним показником якості виготовлення хвилеводів є значення електропараметрів, які дають об'єктивну характеристику їх функціональності і регламентуються гранично допустимими значеннями. Встановлено, що більшість методів фінішного оброблення мають низку суттєвих недоліків – невисоку продуктивність, складність інструменту та оснащення, високу вартість обладнання. Більшість методів фінішного оброблення каналу призначені виключно для прямолінійних хвилеводів або тих, які мають плавний вигин. Тому найуживанішим для кутових хвилеводів залишається слюсарне полірування каналу засобами малої механізації. Визначено, що використовувані абразивні інструменти для слюсарного полірування каналу мають невисоку стійкість, а гідною альтернативою їм є щіткові інструменти обертальної дії на основі полімерно-абразивних волокон. Доведено актуальність дисертаційного дослідження, визначено мету роботи та завдання, що необхідно виконати для її досягнення, розроблено структурно-логічну схему дисертаційної роботи. У другому розділі наведено ескізи зразків для випробувань, а також описано основні методичні прийоми вивчення параметрів якості поверхні і властивостей поверхневого струмопровідного шару каналу хвилеводів після фінішного оброблення ПАЩ та найбільш вживаними методами та інструментами. Основні дослідження виконувались на конструктивних елементах (кутових вигинах) натурних кутових хвилеводів двох типів з алюмінію АД0 і латуні Л96, що мають найбільше застосування і труднощі оброблення. З навколошовних зон стінок дослідних конструктивних елементів хвилеводів вирізали плоскі зразки для подальшого дослідження шорсткості, наклепу та електропровідності. Оброблення внутрішнього каналу конструктивних елементів хвилеводу здійснювали електричною прямою шліфмашинкою та електричним стрічковим напилком. В якості інструментів були використані: наждачний папір на оправці; шліфувальний пелюстковий круг на оправці; шліфувальна голівка з нетканого абразивного матеріалу; полімерно-абразивна йoржикова щітка; нескінченна стрічка з наждачного паперу; нескінченна стрічка з нетканого абразивного матеріалу. Запропоновано методику експериментального дослідження впливу методів фінішного оброблення на електричні параметри кутових хвилеводів п’яти типів, а також основні умови проведення експериментів, устаткування і параметри інструментів, використовуваних в роботі. У третьому розділі проведено оцінку впливу методів фінішного оброблення каналу кутових хвилеводів, режимів, а також параметрів ПАЩ та найбільш вживаних інструментів, на одержувану шорсткість струмопровідної поверхні. При проведенні експериментів було встановлено, що шорсткість в напрямку обертання інструменту була до 20 % меншою в порівнянні зі значеннями шорсткості, виміряними в перпендикулярному до обертання напрямку. В ході проведення дослідження встановлено, що зі збільшенням абразивних зерен інструменту, зростав накеп обробленої поверхні. При чому зі зростанням величини наклепу зменшувалась електропровідність струмопровідного шару стінок хвилеводу. Це призводило до збільшення втрат енергії, спричиненої опором матеріалу стінок каналу. Оцінено вплив фінішного оброблення різними інструментами на значення електро-параметрів прямокутного хвилеводу, а саме, на значення коефіцієнту загасання, коефіцієнту стоячої хвилі та електроміцність. Згідно проведених досліджень встановлено, що для всіх досліджуваних матеріалів полірування йoржиковою ПАЩ забезпечило найкращу шорсткість струмопровідних поверхонь та створювало поверхневий наклеп в 1,1...1,8 рази менший за інші інструменти. У порівнянні з іншими типами інструментів при тих самих параметрах та режимах оброблення для ПАЩ значення коефіцієнта загасання були в 1,5...2,7 рази меншими, а значення КСХН – на 5…10 % меншими. Встановлено вплив спрямованості шорсткості струмопровідної поверхні на значення електропараметрів хвилеводів, зокрема, коефіцієнт загасання був менше на 20...50 % при одержанні направлення ліній шорсткості в поперечному перерізі каналу хвилеводу, як при обробленні йоржиковою ПАЩ, в порівнянні з тією ж величиною шорсткості, але вже отриманої уздовж каналу. У четвертому розділі розроблено технологічні рекомендації виготовлення кутових хвилеводів з заміною слюсарних фінішних операцій обробленням на верстаті з ЧПК, розглянуто спеціальне пристосування для встановлення та закріплення хвилеводів. Встановлено, що автоматизація процесу таким чином на трьох типах дослідних хвилеводах дозволила скоротити більше ніж у 5 разів тривалість і 3,7 рази собівартість фінішного оброблення. Описано конструкцію механізованої установки для полірування каналу кутових хвилеводів складної форми, виготовлених зварюванням або паянням хвилеводної труби. Рух інструменту в даній установці здійснювався за копіром. В результаті впровадження механізованого оброблення каналу хвилеводів, повністю була усунена ручна праця, геометрія та шорсткість каналу хвилеводів покращилася. Проаналізовано проблеми виробничого впровадження фінішного оброблення ПАЩ кутових хвилеводів. А саме, автоматичне керування процесом оброблення визиває необхідність дослідження процесу зношення волокон ПАЩ, для своєчасного корегування положення інструменту, визначення умов оброблення, які забезпечують стале помірне зношення, та технологічних обмежень, які запобігають відриву волокон в місці закріплення. Це разом здатне зберегти і подовжити працездатний стан ПАЩ, підвищити продуктивність оброблення на верстатах з ЧПК, зменшити кількість замін щіток. У п’ятому розділі розроблено методику визначення інтенсивності зношення волокон ПАЩ від параметрів оброблення, що безпосередньо впливає на їх працездатний стан, та наведено ескізи зразків для випробувань. Основні дослідження дискової або йоржикової ПАЩ виконувались на плоскошліфувальному верстаті моделі 3Б71М та на вертикально-фрезерному верстаті з ЧПК. В процесі проведення експериментів ПАЩ постійно зважували, масове зношення перераховували в зношення довжини волокон. Визначено вплив властивостей оброблюваного матеріалу на інтенсивність зношення волокон ПАЩ. Встановлено, що на зношення волокон ПАЩ найбільше впливають певні властивості оброблювального матеріалу, швидкість оброблення і натяг, а зернистість і довжина волокна мають менший вплив. Результати замірів зношення волокон ПАЩ при обробленні різних матеріалів показують, що при зміні натягу від 0,5 до 2 мм зношення збільшувалось в 2...3 рази. Встановлено, що при співвідношенні imax≤LВ/10 спостерігалось мінімальне зношення волокон ПАЩ. Інтенсивність зношення суттєво збільшувалась при поєднанні зменшення довжини зі збільшенням діаметра волокна, при цьому мінімальне зношення спостерігалось при співвідношенні LBmin≥dB∙(7…15). Підвищення швидкості оброблення від 6 до 21 м/с викликало збільшення зношення волокон щітки в 5...8 разів. Досліджено причини руйнування волокон в місці закріплення та розроблено пристрій, що дозволяє вимірювати температуру в зоні закріплення волокон щітки. За допомогою запропонованого пристрою була визначена температура волокон в закріпленні, яка не перевищувала 45 ⁰С на інтенсивних режимах роботи, що вдвічі менше граничної температури (85...120 ⁰С) втрати міцності полімерної основи, тому теплової складової, викликаної деформацією волокон в процесі експлуатації, як це передбачалося раніше, недостатньо для руйнування волокон в місці закріплення, і основною причиною є накопичення втоми. Осередком руйнування були абразивні зерна, які порушували суцільність полімерної основи і викликали локальну концентрацію напружень. Проведено натурні дослідження впливу технологічних факторів (режимів та умов оброблення) на циклічну довговічність волокон ПАЩ. Були розроблені технологічні рекомендації вибору геометрії ПАЩ та режимів оброблення кутових хвилеводів.Thesis for the scientific degree of the Candidate of Technical Science in specialty 133 – Industrial mechanical engineering – National Technical University “Kharkiv polytechnic institute”, Kharkiv, 2021. The dissertation is devoted to solving an important scientific and technical problem of improvement the finishing of the channel near-weld zones of angular waveguides, which are one of the main elements of radar stations, for increasing productivity and reducing costs through polishing with brush polymer-abrasive rotary tools. On the basis of a system analysis and generalization of the finishing experience of angle rectangular waveguide channel, the final stage of the channel production with the using of rotary brush tools based on polymer-abrasive fibers was formulated, substantiated, theoretically and practically developed, for ensure high quality and productivity and reduce the cost. The technological capabilities of automated and mechanized processing of complex-profile parts with hard-to-reach areas, such as rectangular angular waveguides, with polymer-abrasive brush tools (PABT) in order to form high performance characteristics, reduce manual labor and increase processing productivity have been expanded. Models have been developed for predicting the resulting channel surface roughness and electrical parameters of waveguides, which are based on studying the surface quality and the surface layer properties of full-scale samples and the angular rectangular waveguides after polishing with various tools, including PABT, which makes it possible to effectively apply finishing with these tools. For the first time, a model of the influence of processing modes, tool parameters and properties of the processed material on the wear rate of fibers of polimer-abrasive disk- and tube-brushes was developed, which makes it possible to ensure high quality and productivity through timely adjustment of the tension during automatic processing, minimal wear of PABT and, accordingly, high performance. The devices and methods have been developed for researching the cyclic durability of PABT fibers and determining the temperatures in the zone of fiber fixation to study the causes of their destruction and separation. The introduction of improved finishing, technological recommendations and restrictions on the use of PABT allowed to refine the surfaces quality of the near-weld zones of the channel of waveguide angular bends without reducing the electrical conductivity of the surface layer, which lessened losses in the waveguides. The first section discribes the design features of rectangular angular waveguides, which are mainly used in radar stations (radars) due to their compactness. Despite this fact they have a large number of connecting seams. The technology of their production is given, which involves welding or soldering sections of rectangular pipes (that meet the necessary requirements for channel surface accuracy and quality when supplied) to each other and to the connecting flanges. It was found that when welding or soldering the waveguide sections surface deformations and defects appear in the seam area. The defects can be eliminated by subsequent finishing, while the rest of the channel does not require it. It is established that the electrical parameters in the waveguides depend not only on the electrical conductivity and magnetic conductance of the material, but also on the quality of conductive surfaces treatment. It was established that the main and final indicator of the waveguides quality is the electrical parameters, which give an objective description of their functionality and are regulated by the maximum allowable values. It is established that most finishing methods have a number of significant disadvantages, i.e. low productivity, tools complexity, and high cost of equipment. Most channel finishing methods are designed exclusively for straight-line waveguides or those with a smooth bend. Therefore, the most commonly used method for angular waveguides is metalwork polishing of the channel by means of small mechanization. It is determined that the used abrasive tools for metalwork polishing of the channel have low durability, so brush tools of rotational action based on polymer-abrasive fibers are good alternative to them. The relevance of the dissertation research is proved, the purpose of the work and the tasks to be performed to achieve it are determined, the structural and logical scheme of the dissertation work is developed. The second section provides sketches of testing samples. It also describes the main methods for studying the surface quality parameters and properties of the surface conductive layer of the waveguide channel after finishing it using polymer-abrasive brushes and the most common methods and tools. The main research was performed on the structural elements (angular bends) of natural angular waveguides of two types made of aluminum АД0 and brass Л96, which have the greatest application and difficult processing. Flat samples were cut from the near-seam zones of the walls of the waveguide experimental structural elements for further studying of roughness, mycrohardening and electrical conductivity. Processing of the inner channel of the waveguide structural elements was carried out with an electric straight grinder and an electric tape file. The following tools were used: sandpaper on the mandrel, a grinding petal wheel on the mandrel, a grinding head made of non-woven abrasive material, a polymer-abrasive tube brush, an endless tape of sandpaper, and an endless tape of nonwoven abrasive material. The experimental research of finishing method influence on electric parameters of angular waveguides of five types is offered as well as the basic conditions of carrying out experiments, the parameters of the equipment and tools used in work are offered. In the third section the influence of methods of angular waveguide channel finishing, modes, parameters of PABT and the most used tools on the conducting surface roughness received is carried out. During the experiments it was found that the roughness in the direction of tool rotation was up to 20% lower compared to the values of roughness measured in the direction perpendicular to the rotation. During the study it was found that with increasing tool abrasive grains, the hardening of the surface treated increased. Moreover, as the hardening increased, the electrical conductivity of waveguide wall conductive layer decreased. This led to an increase in energy losses caused by the channel wall material resistance. The influence of finishing with different tools on the rectangular waveguide electrical parameters, namely, on the values of the attenuation coefficient, standing wave coefficient and electrical strength are estimated. According to the research, it was found that for all the materials studied, polishing with a PABT provided the best conductive surfaces roughness and created a surface hardening of 1.1...1.8 times less than when using other tools. In comparison with other types of tools with the same parameters and processing modes for PABT, the attenuation coefficient was 1.5...2.7 times lower, and the values of the voltage standing wave ratio were 5… 10% lower. The influence of the conductive surface roughness direction on the electrical parameters of the waveguides was established. In particular, the attenuation coefficient was 20...50% less when obtaining the direction of roughness lines in the cross section of the waveguide channel, like when finishing it with a PABT in comparison with the same roughness, but received along the channel. In the fourth section the technological recommendations for manufacturing of angular waveguides with replacement of metalwork finishing operations by processing on the CNC machine are developed. The special device for waveguide installation and fixing is considered. It is established that this type of process automation on three types of experimental waveguides allowed reducing the duration more than 5 times and the cost of finishing more 3.7 times. The design of a mechanized installation for polishing the angular waveguide channel of complex shape made by welding or soldering a waveguide pipe is described. The tool movement in the installation was carried out by the copier. As a result of the mechanized processing of the waveguide channel, manual labor was completely eliminated, the geometry and roughness of the waveguide channel were improved. Problems of implementation of angular waveguide PABT finishing are analyzed. Automatic control of the machining process necessitates research on the PABT fibers wear process for timely adjustment of the tool position, determination of machining conditions that ensure sustainable moderate wear, and technological limitations that prevent tearing of fibers at the fastening point. Together, these factors can maintain and prolong the PABT working condition, increase the productivity of processing on CNC machines, and reduce the number of brush replacements. In the fifth section a method for determining the intensity of PABT fibers wear depending on the processing parameters, which directly affects their working condition is developed. Sketches of testing samples are provided. The main studies of disk or brush PABT were performed on a surface grinding machine of 3Б71M model and on a vertical milling machine with CNC. During the experiments PABT were constantly weighed, mass wear was calculated in the fiber length wear. The influence of the processed material properties on the PABT fibers wear intensity was determined. It was found that the PABT fibers wear is most affected by certain properties of the processing material, processing speed and tension, but the grain size and the fiber length have less influence. The results of measurements of PABT fibers wear during processing different materials show that when the tension was changed from 0.5 to 2 mm, the wear increased by 2...3 times. The minimal wear of PABT fibers was observed at the ratio imax≤LВ/10. The wear intensity increased significantly when the decrease in length was combined with the increase in fiber diameter; in this case the minimal wear was observed at the ratio LBmin≥dB (7…15). Increasing the processing speed from 6 to 21 m/s caused an increase in brush fibers wear in 5...8 times. The causes of fibers destruction in the place of fixing are investigated; the device that allows measuring temperature in a zone of brush fibers fixing is developed. Using the device proposed the temperature of the fixed fibers, which did not exceed 45 ⁰C in intensive modes was determined, which is twice less than the limit temperature (85...120 ⁰C) of the polymer base strength loss. As the result, the thermal component caused by fibers deformation during operation as it was previously thought, is not enough to destruct the fibers at the site of attachment, and the main reason of it is the fatigue accumulation. The center of destruction were abrasive grains, which violated the polymer base solidity and caused a local concentration of stresses. Field studies of the influence of technological factors (modes and processing conditions) on the PABT fibers cyclic durability were carried out. Technological recommendations for the choice of PABT geometry and angular waveguide processing modes were developed.