Разработка и внедрение комбинированных ультразвуковых

Разработка и внедрение комбинированных
ультразвуковых технологий финишной
обработки деталей из твердых хрупких
материалов и высокопрочных сталей и
сплавов, в том числе – с неоднородной
структурой
Научный руководитель:
д.т.н., профессор, член-корр. РАЕ Бекренев Н.В.
Коллектив:
к.т.н., доцент Петровский А.П. (ФГУП «Корпус»)
к.т.н., доцент Шумилин А.И.
к.т.н., доцент Цветкова О.А.
к.т.н. Фирсов В.М. (КБ «Электроприбор»)
ассистент Злобина И.В.
Аспиранты: Емжина Д.С., Мулдашева Г.К., Насад В.В.,
Сарсенгалиев А.М.
Объекты исследования
Детали прецизионных приборов, гидро- и пневмоаппаратуры,
изделий транспортного и энергетического машиностроения
Основные направления исследований и
разработок:
•
•
•
•
•
•
•
•
Сверление, зенкерование и развертывание отверстий малого диаметра с
воздействием ультразвука при учете параметров структуры материала;
Ультразвуковая доводка и однопроходная обработка отверстий малого
диаметра свободным абразивом и алмазосодержащим прокатом;
Ультразвуковая размерная малодефектная обработка поверхностей сложной
формы в деталях из хрупких материалов и покрытий на режимах,
определяемых структурой материала;
Получение монодисперсных микропорошков ультразвуковой распылительной
сушкой и диспергированием;
Формирование рабочей поверхности металлического шлифовальнодоводочного инструмента электрическими разрядами с ультразвуковыми
колебаниями электрода непосредственно в технологическом цикле
обрабатываемых изделий;
Комбинированная промывка и очистка отверстий и каналов в деталях
сложной формы с силовым воздействием ультразвука на корпус изделия;
Разработка специального ультразвукового технологического оборудования и
инструмента;
Оптимизация режимов ультразвуковой обработки на основе математического
и компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния и
тепловых полей в зоне обработки
Основные научные результаты






Обоснованы: механизм влияния направления и частоты ультразвуковых колебаний инструмента
на силы резания, производительность и качество обработки, повышение точности
геометрической формы поверхности с неоднородной структурой при воздействии ультразвука,
повышение однородности структуры покрытий при плазменном напылении в ультразвуковом
поле, формирование металлических микронеровностей с заданным радиусом при вершине
электроискровым нанесением на поверхность инструмента.
Установлены: Эффект снижения осевой силы и момента резания при сверлении и развертывании
отверстий в 1,5 – 3 раза в зависимости от диаметра инструмента и физико-механических свойств
материала за счет его местного разупрочнения; уменьшение до 2-3 раз величины дефектного
трещиноватого слоя хрупких материалов при ультразвуковой обработке с амплитудой и частотой,
выбираемыми в зависимости от параметров структуры; возможность получения сфероидных
монодисперсных порошков ультразвуковым диспергированием с разноразмерностью не более 1015%; эффект повышения качества ультразвуковой промывки и очистки отверстий и каналов
малого диаметра в деталях сложной формы при малых интенсивностях ультразвуковой
кавитации за счет введения изделия в состав колебательной системы путем регулировки частоты
сигнала генератора.
Разработаны: технологии и оборудование ультразвуковой доводки отверстий малого диаметра с
точностью размера 1 мкм и формы до 0,5 мкм.
Защищены: 2 докторские и 6 кандидатских диссертаций.
Опубликовано: 170 работ, из них 133 научных, в том числе - 3 монографии и 25 – в изданиях из
перечня ВАК, 28 учебно-методических, в том числе 13 учебных пособий (1 с грифом УМО).
Получено: 6 авторских свидетельств и 4 патента.
Технологии ультразвукового сверления, зенкерования,
развертывания отверстий малого диаметра
Особенности технологии:
-Инструменту сообщают колебания частотой 18-22 кГц с амплитудой,
определяемой по установленным зависимостям с учетом
теплофизических характеристик инструментального и
обрабатываемого материалов и требуемого периода стойкости.
- Направление колебаний совпадает направлением главных режущих
кромок инструмента.
- При сверлении отверстий малого диаметра амплитуда и осевая
подача выбираются с учетом его продольной устойчивости.
- Обеспечивается автоматическое изменение амплитуды колебаний
при колебаниях момента резания при помощи простого механического
устройства
Преимущества технологии
- Форма стружки из элементной неправильной формы становится сливной, что облегчает
ее эвакуацию из зоны резания и исключает пакетирование в стружечных канавках.
-Коэффициент снижения сил резания в зависимости от амплитуды колебаний инструмента
составляет: при А = 5 мкм - 0,4-0,5, а при А = 10 мкм – 0,35.
-При сверлении с сообщением сверлу колебаний с амплитудой, обеспечивающей
максимальное снижение сил резания, глубина сверления в единицу времени возрастает
почти в 2 раза, а количество просверленных одним сверлом отверстий – в 1,8 раза,
Комплекс ультразвуковых технологий и
специального оснащения финишной обработки
отверстий малого диаметра
Особенности технологии
Предварительная обработка отверстий осуществляется с сообщением
инструменту ультразвуковых колебаний перпендикулярно поверхности,
окончательная – с колебаниями, касательными поверхности обработки
перпендикулярно вектору скорости резания.
Частота ультразвука 22-44 кГц, амплитуда колебаний инструмента 3-5 мкм.
Достигаемая размерная точность 1 мкм, шероховатость определяется
зернистостью применяемого алмазоносного слоя и составляет 0,32-0,08
мкм.
Повышение производительности на 50-80%.
Обрабатываемые материалы: закаленные стали, жаропрочные сплавы,
твердые сплавы, керамика, износостойкие твердые покрытия.
Инструмент для ультразвуковой доводки
отверстий
Преимущества технологии
- Возможность обработки отверстий диаметром от 2 мм глубиной до 5-10 диаметров, с
точностью геометрической формы отверстия 0,3-0,5 мкм:
После обычной доводки
После ультразвуковой доводки
- Возможность прецизионной обработки материалов с неоднородной структурой (керамика и
покрытия);
- Исключение засаливания инструмента, снижение усилий резания на 40-50%;
- Повышение интенсивности исправления исходной неточности формы отверстия на 30-45%.
Технология ультразвуковой промывки и очистки
глубоких каналов и отверстий малого диаметра в
деталях сложной формы
Особенности технологии:
-
Сочетание общего кавитационного и местного силового ультразвукового воздействия;
Прокачка моющей жидкости через каналы;
Оптимизация режимов по акустическим характеристикам процесса;
Включение очищаемого изделия в состав колебательной системы.
Преимущества технологии
Преимущества:
-Удаление загрязнений в отверстиях и каналах малого диаметра (до 1 мм и менее),
расположенных разнонаправленно и в теневых для ультразвуковых волн зонах объектов
сложной геометрической формы путем комбинированного общего и местного воздействия
энергии ультразвука, прокачки моющей жидкости через каналы и ее химического действия.
- Среднее время восстановления пропускной способности изделия типа горелочного
устройства газоперекачивающего агрегата после 4000-6000 часов наработки составляет 10
минут.
Области применения:
- Техническое обслуживание компрессорных станций магистральной транспортировки
природного газа.
- Техническое обслуживание горелочных устройств в системах отопления и водонагревания,
работающих на газообразном и жидком топливе.
- Производство и техническое обслуживание гидро- и пневмоаппаратуры, систем
регулирования подачи топлива (инжекторы, форсунки, карбюраторы) двигателей для
наземного, воздушного и водного транспорта, а также ракетной техники.
- Производство сложных технических систем для навигации, волоконной оптики и т.п.
Ультразвуковое технологическое
оборудование
Экспериментальная
установка
для
малодефектной обработки хрупких
материалов
Ультразвуковой
доводочный станок
УДС-901
Ультразвуковой полуавтомат с
ПУ УДС-902
Экспериментальная установка для промывки каналов и
отверстий в горелочных устройствах газоперекачивающих
агрегатов
Основные практические результаты
Внедрения:
-5 ультразвуковых станков для доводки отверстий и технологические процессы;
- ультразвуковой полуавтомат для доводки аэродинамических канавок.
- регламент технического обслуживания не выработавших паспортный ресурс горелочных устройств к
газоперекачивающим агрегатам;
- проведено техническое обслуживание 10-и комплектов горелочных устройств путем комбинированной
ультразвуковой очистки.
Награды:
- бронзовая медаль ВДНХ СССР за разработку опытного образца ультразвукового станка УДС-901
(удостоверение № 54218 от 07.12.1984 г.);
- диплом третьей степени и бронзовая медаль 5-го Саратовского салона изобретений, инноваций и инвестиций
2010 г. за разработку технологического процесса и оборудования для получения монодисперсных
неметаллических порошков ультразвуковым дроблением для производства изделий приборостроения и
медицины;
-грамота 5-го Саратовского салона изобретений, инноваций и инвестиций 2010 г. за разработку комплекса
ультразвуковых технологий и специального оснащения финишной обработки отверстий малого диаметра;
-диплом и серебряная медаль 8-го Саратовского салона изобретений, инноваций и инвестиций 2013 г. за
разработку технологии и оборудования восстановления пропускной способности горелочных устройств к
газоперекачивающим агрегатам методом комбинированной ультразвуковой очистки.