Технологическая система удаления ликвидов с поверхностей деталей

 

Тщательная очистка рабочих полостей машин от производственных и эксплуатационных загрязнений предотвращает преждевременное изнашивание ответственных узлов деталей и агрегатов, резко увеличивает срок их безотказной работы, сокращает расходы на обслуживание и ремонт машин. В настоящий момент во всех промышленно развитых странах интенсивно ведутся разработки технологий и оборудования для отделки поверхностей и кромок деталей. Актуален этот вопрос и на территории постсоветского пространства, поскольку существующие сегодня методы не обеспечивают потребности отечественного машиностроения. Одной из основных причин такой ситуации является отсутствие комплексного подхода при построении технологических систем.

Развитые индустриальные страны более четверти века назад начали осуществлять переход от разработки разрозненных технологий и техники для их реализации к целостным технологическим системам, которые обеспечивают выполнение изделием функциональных задач в течение его эксплуатации. Технологическая система при этом не сводится к простой совокупности составляющих элементов и, рассматривая эти элементы в отдельности, без учета связей между ними, невозможно синтезировать рациональную систему, которая бы гарантировала производство высококачественной продукции при минимальных суммарных затратах всех этапов её жизненного цикла.

Неотъемлемым элементом технологических систем в производстве прецизионных механизмов являются отделочно-зачистные методы обработки поверхностей и кромок деталей. С конца шестидесятых годов по настоящее время в США, Японии, Германии и в других промышленно развитых странах интенсивно ведутся исследования технологий и оборудования для отделки поверхностей и кромок деталей. Об интенсивности работ в сфере зачистных, очистных и отделочных технологий в последние пятнадцать лет можно судить по нарастающему объему информации и по увеличению количества фирм, работающих в этом направлении. Например, в США за эти годы количество таких предприятий увеличилось в несколько раз (с четырех сот до более двух тысяч). За этот период количество отделочно-зачистных методов выросло с 70 до 120 и на порядок возросло число моделей оборудования для  их реализации [Gillespie LaRoux K. Worldwide Trends of Burr Technology & Present Status in the U.S.A./ Gillespie LaRoux K.]. Существующие методы отделки, очистки, зачистки поверхностей и кромок деталей можно разделить, исходя из физико-химического воздействия на материалы при обработке, на пять групп.

1. Механические методы, при которых удаление ликвидов осуществляется путем механического воздействия на обрабатываемые детали твердых тел, инструментов. К ним относятся слесарные, лезвийные, абразивные методы, обработка давлением, ударные, галтовочные, центробежные, турбуляционные, вибрационные и робототехнические способы зачистки.

2. Химико-механические методы, при которых одновременно имеет место воздействие механического инструмента и химической внешней среды (жидкости). К этим методам относятся абразивная, гидродинамическая, галтовочная, центробежная, турбуляционная и вибрационная обработка с применением смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ).

3. Химические методы, при которых удаление ликвидов осуществляется за счет воздействия химически активной жидкой или газовой  среды; они подразделяются на химические, галтовочно-химические, турбуляционно-химические и виброхимические способы.

4. Электрохимические методы, для которых характерно химическое воздействие жидкой среды и электрического тока, проходящего через электролит и материал детали. Они подразделяются  на электрохимические с погружением, электрохимические локальные, галтовочно-электрические, виброэлектрические способы.

5. Физические методы, при которых обработка осуществляется за счет физического воздействия на материал (ультразвуковых волн, электрических разрядов, электрогидравлических ударов и др). Их подразделяют на ультразвуковые, электроконтактные и импульсные (взрывной, электрогидравлический, термоимпульсный и др.) способы.

Такое многообразие технологий свидетельствует об актуальности  проблемы и в тоже время подчеркивает сложность ее решения. В Японии, Китае, Южной Корее и др. странах организованы специализированные научно-исследовательские центры по развитию отделочно-зачистных технологий. При этом группа отделочно-зачистных технологий рассматривается как неотделимая часть целостных технологических систем и на одном  уровне с токарной, фрезерной и другими механическими видами обработки. Режимы механической обработки рекомендуют назначать с учетом последующей очистки кромок и поверхностей от ликвидов.

Однако, существующие сегодня методы не обеспечивают потребности отечественного машиностроения, поскольку узко специализированные технологии, разработанные под структуру машиностроительных предприятий стран западной Европы, США, Японии, где преобладают мелкие, специализированные фирмы, малоэффективны в условиях наших многономенклатурных производств. Особенностью отделочно-зачистных технологий является то, что они эффективны при обработке 100% деталей, входящих в автономные гидросистемы, агрегаты, узлы. Если останется необработанной хотя бы одна деталь, то рабочие жидкости разнесут технологические загрязнения по всем агрегатам изделия. При этом нарушается работа самых чувствительных к ликвидам элементов конструкции (золотниковых и плунжерных пар, подшипников, уплотнений и др.).

В СССР (1990-91годы) была предпринята попытка перехода от разрозненных исследований и разработок отделочных технологий и оборудования к целостной научно-технической программе, предусматривающую систематизацию знаний, стандартизацию оборудования, подготовку кадров в высшей школе и др. Но работы в этом направлении были прекращены с ликвидацией СССР.

Обеспечение высокого качества продукции отечественного машиностроения добиваются главным образом многостадийной доводкой технологических процессов по результатам изготовления, испытаний и эксплуатации изделий. Негативное влияние технологической наследственности сказываются в эксплуатации, вне производственного процесса. При таком подходе сочетание характеристик элементов технологической системы носит случайный характер, что значительно увеличивает срок освоения выпуска новой техники и делает его неопределенным. Наша промышленность практически не использует отделочно-зачистные технологии для комплексного решения проблемы обеспечения промышленной чистоты при изготовлении машин. Основными причинами такой ситуации являются: отсутствие комплекса технологий и оборудования, обеспечивающего в сложившейся структуре производств обработку 100% деталей автономных систем или машин; отсутствие квалифицированных кадров; низкий уровень качества выпускаемой продукции машиностроения.

Необходимость удаления ликвидов объясняют следующими причинами. При попадании в зазоры трущихся пар твердых металлических частиц происходит отказ гидравлических систем, связанный с заклиниванием распределительных и регулирующих устройств, а также повышается износ ответственных деталей, происходит затруднение при сборке и позиционировании, снижение усталостной прочности и т.п. Частицы заусенцев или материала инструментов, попадая в гидравлическую либо пневматическую систему, переносятся рабочей средой по всей системе, повреждают или нарушают работу наиболее чувствительных элементов: манжетных уплотнений, золотников, плунжерных пар, подшипников, зубчатых передач, деталей замков, клапанов и др. Заусенцы вызывают завихрения в потоке газа или жидкости, нарушая равномерность потока.

Кроме того, загрязнения рабочей жидкости изменяют ее свойства, что снижает смазывающие способности. Засорение фильтров приводит к кавитации в насосе, вспениванию и недостаточной подаче рабочей жидкости. Наличие металлических частиц способствует окислению смазки, образованию смолистых веществ, которые, осаждаясь на поверхностях, интенсифицируют процесс засорения фильтров, заращивания зазоров, что приводит к повышению давления в линии, вибрации машины, к снижению плотности соединений и утечкам жидкости. Все это сопровождается повышением температуры, снижением вязкости и приводит к уменьшению толщины масляной пленки [Жданов, А.А. Обеспечение качества гидротопливных агрегатов летательных аппаратов за счет новых технологий.]. Очевидно, что взаимовлияющие процессы, происходящие в гидравлических системах машин, при нарушении условий работы приводят к усилению негативных явлений.

Тщательная очистка рабочих полостей машин от производственных и эксплуатационных загрязнений предотвращает преждевременное изнашивание ответственных узлов деталей и агрегатов, резко увеличивает срок их безотказной работы, сокращает расходы на обслуживание и ремонт машин. По статистике до 50% всех отказов гидравлических систем самолетов, связанных с выходом из строя насосов, заклиниванием распределительных и регулирующих устройств, повышенным износом ответственных деталей происходит по причине технологических загрязнений. При обеспечении чистоты поверхностей деталей и рабочих полостей машин ресурс может быть увеличен в 2…3 раза.

Проблема высокоэффективной очистки деталей и рабочих полостей агрегатов и систем машин вследствие своей сложности требует комплексного решения. Например, при обработке сложнопрофильных корпусов гидравлических агрегатов (рис.1) с применением обрабатывающих центров, использующих различные инструментальные системы, выбор метода удаления ликвидов осложняется тем, что точение, фрезерование, сверление и другие методы механической обработки образуют разные виды ликвидов. Для их удаления требуются либо узко специализированные методы (более 10) и соответствующее оборудование, либо один или два универсальных. В их число входят термохимический и термоимпульсный методы, роль инструмента в которых выполняют детонирующие газовые смеси.

Но в этом случае  необходимо согласовать характеристики элементов технологической системы для обеспечения стабильности и предсказуемости геометрических параметров ликвидов после разных видов механической обработки и выполнения отделочно-зачистных операций. Важно, кроме всего прочего, определить источники технологических загрязнений в течение жизненного цикла изделия, знать природу их образования и к каким негативным последствиям они могут привести. Ниже кратко приведены результаты исследований влияния технологической наследственности на образование и удаление ликвидов.

Гранулометрический анализ твердых частиц, обнаруженных в рабочих жидкостях агрегатов летательных аппаратов, позволил выявить, что доминирующими являются металлические. Разброс размеров металлических частиц от сотых долей до 200 мкм. Наиболее массовый размер частиц (более 90%) – менее 5 мкм. Исследования поверхностей деталей после всех видов механической обработки, в основу которых положены процессы резания, позволили выявить образование ликвидов, как на кромках, так и на поверхностях деталей. Размеры металлических частиц и микрозаусенцев на поверхностях соизмеримы с величиной их шероховатости.

В начальный период эксплуатации происходит постепенное увеличение концентрации частиц малой величины (на порядок и более) в рабочих жидкостях. Статистика отказов показывает, что основная доля приходится на превышение норм массовой концентрации. По данным экспериментальных исследований влияние чистоты рабочих жидкостей на отказ золотниковых агрегатов и гидронасосов (с учетом изменения массовой концентрации частиц < 5мкм) установлена зависимость ресурса изделий от числа загрязняющих частиц. Так, увеличение количества  частиц в два раза уменьшает ресурс в четыре раза. На рис.1 показаны результаты стендовых испытаний двух типов агрегатов при использовании рабочих жидкостей различных классов чистоты, а на рис. 2 – количественная оценка загрязнения рабочих жидкостей частицами различной величины. Частицы размером менее 5 мкм не учитываются (ГОСТ 17216 – 71) при анализе чистоты рабочих  жидкостей. Для контроля чистоты жидкости на предприятиях используют прибор ПКЖ–904А, в технической характеристике которого указаны контролируемые частицы в шести размерных диапазонах от 5 до 200 мкм и более. Однако исследования, выполненные в отраслевом институте, красноречиво доказывают, что ресурс определяет не величина частиц, а их массовая концентрация и частицы менее 5 микрон существенно влияют на ресурс гидротопливных агрегатов.

Следует отметить, что если при удалении макрочастиц в условиях производства авиационных агрегатов традиционно используется ручной труд, то удаление микрочастиц является сложной технической проблемой, поскольку они не видимы невооруженным глазом, а их количество (рис. 2) на несколько порядков больше, чем крупных.

Образование микрочастиц при эксплуатации объясняет действующий в западноевропейских странах стандарт DIN 4776, в соответствии с которым контролируют кроме параметров микрогеометрии поверхности еще и форму профиля. Пользуясь кривой Аббота–Файерстоуна, можно выделить такие элементы профиля шероховатости (рис.3): усредненную высоту выступов, быстроизнашивающуюся в начальный период эксплуатации (Rpk); глубину неровностей профиля поверхности, являющуюся основой профиля поверхности, длительное время находящуюся в работе и оказывающую основное влияние на срок службы изделия (Rk); усредненную глубину впадин, определяющих смазывающую способность поверхности (Rvk). Математически кривая Аббота–Файерстоуна представляет собой кривую суммарной частоты ординат профиля [Лосев, А.В. Необходимость использования отделочно-зачистных технологий в машиностроении.  Отделочно-зачистные технологии в производстве летательных аппаратов и в машиностроении.]. Определение характеристик профиля шероховатости позволяет на стадии изготовления сформировать функционально необходимый микрорельеф поверхностей  (получить износоустойчивый профиль) и таким путем избежать загрязнения продуктами износа гидравлических систем при эксплуатации.

Рис.3 Профилограмма (а) и кривая Аббота-Файерстоуна (б)

В работах профессора Барона Ю.М. и его учеников исследованы процессы образования заусенцев при резании металлов и влияние геометрии режущего инструмента на технологические параметры. В работах профессора Петрова В.И. исследованы инструментальные системы, в которых рассмотрены факторы (более 50), влияющие на вибрацию и стойкость режущих инструментов. Исследования поверхностей образцов и деталей после различных видов механической обработки, выполненные нами, хорошо согласуются с исследованиями выше упомянутых авторов.

Лосев А.В., канд. техн. наук,
Бычков И.В., доктор техн. наук,
Планковский С.И., доктор техн. наук