Technology and equipment for combined methods of processing objects of transport and power engineering

Full Text

Введение

В современном машиностроении происходят изменения, требующие от технологов совершенствования технологических приемов, создания для их реализации новых средств технологического обеспечения [1, 2]. Накопленный отечественный и зарубежный опыт [3] дает возможность получить по этим вопросам обширную информацию, в различной степени воздействующую на уровень производственной технологичности при  проектировании комбинированных технологических процессов [4, 5, 6] и обеспечивающую создание качественной продукции [7, 8, 9]. Этот процесс начинается на этапе анализа запросов потенциальных заказчиков и обеспечивается выделяемыми ресурсами на проведение экспериментальных исследовательских и опытно-промышленных работ. При положительных результатах исследований достигается возможность передача материалов для серийного производства, где формируется реальная технико-экономическая отдача от внедрения, которая должна оправдывать затраты на создание перспективного объекта производства, компенсировать затраты на предшествующие этапы работы. Учитывая, что государственное финансирование в первую очередь выделяется по программам, определяющим будущее всей страны, а в энергетике и  машиностроении в первую очередь для развития атомной отрасли и  транспортного машиностроения, то авиакосмическая промышленность заинтересована в ускоренном создании  прогрессивных комбинированных методов обработки (КМО) с использованием результатов числовых, аддитивных технологий, средств искусственного интеллекта. Применение положительных результатов исследований на всех этапах создания нового продукта зависит от научно обоснованного выбора этапов и сроков разработки продукции. Это стало возможным путем управления этапами исследований по рекомендациям, полученным на базе расчетов производственной технологичности [7] по закономерностям управления выбором технологических воздействий в комбинированных методах обработки с учетом условий эксплуатации в авиакосмическом и энергетическом машиностроении [8]. При проведении научных изысканий учитываются достижения и перспективы развития отраслевой техники [2, 5, 6 и др.], защищенные охранными документами новые способы и устройства [10 и др.], позволяющие  расширить область использования комбинированной обработки (КО) на общее машиностроение, в том числе для упрочнения [11, 12, 13], повышения надежности и ресурса [14] изделий c ограниченным доступом инструмента в зону обработки [15, 16]. Проведенные исследования [15, 8] показали, что применительно к высоконагруженным изделиям длинномерных транспортных силовых передач в авиакосмической отрасли и в магистралях атомных станций главное внимание требуется уделять  местам сопряжения участков, повышению их надежности и ресурса до уровня не ниже установленного  показателя межремонтного периода деталей и узлов в изделии.

 Анализ производственной технологичности сопрягаемых участков трансмиссий и магистралей авиакосмической и энергетической отраслей машиностроения

 Отработка производственной технологичности является методом оценки качества мероприятий технологического назначения на этапах изготовления изделия и включает непрерывный процесс оценки эффективности принимаемых технологических решений, направленных на их совершенствование по потребительским свойствам и технико-экономическим показателям на всех этапах создания, освоения, запуска в серийное производство, выпуска, эксплуатации, обслуживания, а также при ремонте и восстановлении продукции. Технологичность включает управление процессом обеспечения заданных и  требуемых эксплуатационных показателей качества при минимизации сроков и затрат для  их выполнения на этапах проектирования, а также на других этапах ее отработки, формирующих  содержание производственной технологичности. Целью проведения мероприятия является научное обоснование назначения и выбора в комбинированном технологическом процессе воздействий, их величины и совместимости для улучшения эксплуатационных и потребительских свойств объектов производства. Область использования предлагаемых решений должна ограничиваться  количеством объектов исследования, приведенных в табл. 1, прогнозом их совершенства  при использовании в рассматриваемых отраслях науки и дальнейшего эффективного применения в других видах продукции, в основном отечественного машиностроения.

Варианты структурных схем сопрягаемых участков приводов и магистралей

Многолетний опыт создания, совершенствования, использования, эксплуатации и утилизации транспортных и энергетических систем  позволил выделить наиболее эффективные направления научных и прикладных исследований по  назначению  новых технологических процессов, созданию для этого средств оснащения, учитывающих требования технологичности конструкций и методов их изготовления в производстве. Наиболее высокий уровень производственной технологичности достигнут в наукоемких изделиях авиакосмической отрасли и атомной энергетики. Результаты выполненных отечественных [3, 4, 6, 8 и др.]  зарубежных  [3 и др.] работ обосновали правомерность оперативного использования их в качестве базы для расширения зоны применения в машиностроении, в первую очередь в исследуемых здесь  типовых наукоемких элементах [1, 8, 10, 11 и др.] транспортного и энергетического машиностроения, приведенных в табл. 1 и 2.

Приведенные в табл. 1 длинномерные сборные разъемные сборные силовые приводы из цельных металлических трубных заготовок с равномерным или импульсным вращательным движением используются в транспортных машинах, в том  числе в летательных аппаратах, и в бытовой технике с возможностью ускоренного освоения  в серийном и крупносерийном производстве. Ограничивает  их использование высокая вероятность возникновения концентраторов напряжений, снижающих ресурс, затрудненный подход с инструментом к месту обработки концевых участков, где в заготовках они осажены вдоль оси. Здесь формируются очаги напряжений, нарушается точность профиля. Возникают винтовые канавки от перемещения инструмента при расточке, что приводит к разрушению этих участков отверстий и снижает усталостную прочность материала. При оценке технологичности  снижается технологический показатель. В качестве рекомендаций предлагается разработать и использовать КМО по бесконтактной схеме с одновременной чистовой подготовкой поверхности и ее управляемым упрочнением на заданную величину. В результате достигается выравнивание величины остаточных напряжений до величины не ниже аналогичного показателя всего объекта обработки в условиях его эксплуатации, особенно в создаваемых изделиях.

Таблица 1. Типовые объекты изготовления и характеристики технологичности для совершенствования приводов в транспортном машиностроении

Приведенные в табл. 1 длинномерные сборные разъемные сборные силовые приводы из цельных металлических трубных заготовок с равномерным или импульсным вращательным движением используются в транспортных машинах, в том  числе в летательных аппаратах, и в бытовой технике с возможностью ускоренного освоения в серийном и крупносерийном производстве. Ограничивает их использование высокая вероятность возникновения концентраторов напряжений, снижающих ресурс, затрудненный подход с инструментом к месту обработки концевых участков, где в заготовках они  осажены вдоль оси. Здесь формируются очаги напряжений, нарушается точность профиля. Возникают винтовые канавки от перемещения инструмента при расточке, что приводит к  разрушению этих участков отверстий и снижает усталостную прочность материала. При оценке технологичности снижается технологический показатель. В качестве рекомендаций предлагается разработать и использовать КМО по бесконтактной схеме с одновременной чистовой подготовкой поверхности и ее управляемым упрочнением на заданную величину. В результате достигается  выравнивание величины остаточных напряжений до величины не ниже аналогичного показателя всего объекта обработки в условиях его эксплуатации, особенно в создаваемых изделиях.

Аналогичные показатели относятся к объектам в табл. 1, п. II, имеющим полузакрытые концевые участки (рис. 1, б; рис. 2, а), приобретаемые на стороне или изготавливаемые  у себя  по серийной технологии. Требуется запас деталей для ремонта и восстановления привода, что  затрудняет выполнение регламентных и восстановительных работ в полевых условиях, что вызывает понижение уровня производственной технологичности. Предлагается повысить качество и требования к контролю  концевых участков приводов. Для этого целесообразно использовать разработанную систему оценки уровня производственной технологичности, использовать КМО и создаваемое оборудование, средства контроля, инструмент, обеспечивающий доступ к месту выполнения работ. Достигается реализация приемов для получения конкурентоспособной продукции, автоматизация производства, расширение области использования КМО, сокращение сроков запуска новых и модернизированных изделий в серийное производство.

Рис. 1. Концевые участки силовых приводов трансмиссий: а ‒ из цельнометаллических трубчатых заготовок с продольной осадкой концов (δ -напуск на чистовую обработку

внутренней поверхности); б- сборные  участки из серийно изготавливаемых наконечников 1, присоединяемых к трубе 2 привода неподвижной сборкой 3, например, сваркой

Заготовки труб обычно получают от металлургических предприятий с размерами и качеством по стандартам для орудийных стволов, что технологично, доступно и экономически целесообразно. Обработка внутренней поверхности таких заготовок для стволов, как правило, доступна для инструмента хотя бы с одного конца. Но условия эксплуатации изделий имеют принципиальные различия. В их числе то, что в них происходит  ограниченное число крутильных и знакопеременных воздействий при эксплуатации, автоматическое устранение  концентраторов напряжений в начале применения изделия. Это приводит к необходимости изменения технологического процесса обработки внутренней поверхности приводов с гарантированным удалением концентраторов напряжений, где исключается применение механического протягивания этой поверхности из-за имеющегося напуска материала, хотя такой процесс способен устранять поперечные углубления от чистового точения, при котором возникают концентраторы напряжений при эксплуатации изделия. В процессе  освоении КМО снижается потребность в проведении затратных многоцикловых усталостных испытаний предварительного механического  упрочнения  наиболее склонных к разрушению концевых участков. При разработке новых технологических приемов чистовая обработка и наклеп совмещаются, а созданная оснастка обеспечивает ремонтопригодность приводов в течение всего периода эксплуатации изделия. Типичным приводом летательных аппаратов является вал винта вертолета на рис. 2, выполненный из легированной стали с увеличенными размерами сечений в местах соединения составных участков.

Рис. 2. Вал винта длинномерного привода вертолета

Внутренняя поверхность детали на рис. 2 должна иметь повышенную чистоту, а деталь претерпевает упрочнение для достижения требуемой надежности в межремонтный период, что подтверждается ресурсными испытаниями. В действующем процессе обработки используются в основном традиционные методы удаления припуска после торцевого осаждения материала на концах. При этом технолог сталкивается с затруднениями по поводу подвода инструмента к месту обработки через уменьшенные по внутреннему диаметру концевые участки и из-за недостаточного сопротивления изгибу длинных борштанг при большой длине участка расточки или других вариантов чистовой обработки. Такие ограничения становятся все значимее при снижении диаметров отверстия в случае одностороннего подвода инструмента на большую глубину и при нестабильном протекании процесса обработки на чистовом этапе формообразования. В силу указанных причин может возникнуть нежелательный дисбаланс привода с вибрацией, аналогичной долговременным цикловым нагружениям. Повышенное время на чистовую операцию и отдельно, а термическое или механическое упрочнение [12, 13] не позволяет получить конкурентоспособную величину критерия полезности [7], что требует разработки новых комбинированных методов обработки (КМО), позволяющих реализовать режимы бесконтактного чистового снятия припуска [1-6] и создать базу для стабильного упрочнения менее доступной внутренней поверхности по предлагаемым в [11, 12, 13] методам упрочнения для достижения требуемых эксплуатационных показателей [2, 3], в том числе ресурса и ремонтопригодности [14, 15] изделия. Рекомендации по проектированию КМО приведены в [1, 4, 5], ожидаемые результаты показаны в варианте 1 табл. 1, а также подтверждены в процессе внедрения КО на предприятиях Воронежа. Принятый процесс комбинированной обработки таких деталей, объединяющий управляемый анодный съем припуска [4] с механическим упрочнением [13] внутренней поверхности, позволяет получить заданную на рис. 2 шероховатость поверхности, требуемый наклеп основной части трубы и подготовить свойства материала внутренней  части концевого участка под нарезание качественной резьбы путем предварительного удаления напуска и неравномерно  упрочненного слоя, в том числе обладающего повышенной хрупкостью, вызывающей при эксплуатации осыпание резьб.

В варианте II табл. 1, конструкциях сборных участков на рис. 1, б показаны более технологичные по форме элементы приводов, полученных за счет использования стандартных, а, следовательно, более дешевых, серийно выпускаемых концевых участков. Однако это не всегда позволяет повысить величину показателя по принципу полезности, т.к. при выполнении сборки могут возникать новые концентраторы напряжений, удаление которых вызывает такие же ограничения. Они частично  рассмотрены для варианта 1, а их устранение стало возможным с использованием рекомендаций из табл. 1, где предлагается [4, 5, 15] обосновать выбор или разработку не только процессов комбинированной обработки (КО), но и технологических средств оснащения [1, 2] для расширения области применения материалов работы на другие отрасли машиностроения. При этом не потребуются значительные вложения на последующие испытания и отработку процессов, т.к. уже полученные результаты, приведенные в работе для отраслевых изделий,  полностью достоверны. В сложной международной обстановке  ожидаемые в варианте II табл. 1 результаты не только технологичны, но и актуальны для страны.

В табл. 2 приведены  типовые объекты изготовления и характеристики  технологичности для  обеспечения герметичности высоконагруженных магистралей, учитывающих условия эксплуатации на атомных энергетических станциях, а также в двигателях и системах летательных аппаратов и в общем машиностроении.

Таблица 2. Типовые объекты изготовления и характеристики технологичности для совершенствования приводов в транспортном машиностроении

Анализ табл. 2 (варианты III-IV) показывает, что технологические процессы и методы повышения качества, работоспособности и ресурса магистралей в атомной и ракетно-космической отрасли близки по видам применяемых способов, видам производства, используемым средствам контроля и испытаний объектов с концевыми участками одинакового или различного сечения, соединенными с магистралью неподвижной неразъемной сборкой. Они предназначены для создания герметичных устройств с высоким межремонтным ресурсом при выполнении операций при минимальных сроках простоя оборудования. В большей степени это относится к созданному и создаваемому технологическому оборудованию для комбинированных методов обработки объектов  III варианта (табл. 2, рис. 3, а), где рассматриваются сварные однослойные магистрали с высоким  межремонтным периодом. Существенным положительным отличием здесь является отсутствие необходимости перемещения объектов в процессе эксплуатации. Однако это усложняет доступ персонала и инструмента к месту выполнения технологических операций и контроля концевых участков магистралей при выполнении регламентных и ремонтных работ. Отмеченные в табл. 2 (рис. 3, б) ограничения особенно значимы для IV варианта объектов исследований, поскольку время пребывания персонала в потенциально опасной зоне работающего изделия ограничено возможностью получения травм и профессиональных заболеваний.

Проводимые с участием автора исследования по автоматизации восстановительных и контрольных работ для Нововоронежской атомной электростанции  и создание новых (на уровне изобретений [10]) автоматических устройств позволяет частично решить проблему сокращения пребывания персонала в опасных зонах атомных станций. Это нашло дальнейшее применение при изготовлении и испытании ракетных двигателей, но здесь требуется продолжение и расширение области выполнения работ в этом направлении. Общим ограничением для использования традиционных методов обработки высоконагруженных приводов и магистралей является требование по выравниванию силовых усилий режущей кромки механического инструмента и устранение винтообразных углублений после резания, особенно на внутренней поверхности труб и в местах сопряжения концевых участков. Эти углубления становятся концентраторами напряжений, что снижает усталостную прочность и особенно нежелательно для  приводов, работающих под действием перегрузок и импульсных воздействий. Разработанные  средства КМО [15] позволяют выполнять удаление припуска даже на труднодоступных для электродов-инструментов участках в длинномерных магистралях и приводах с переменным сечением без механического воздействия на деталь с перемещением инструмента только вдоль ее оси. Исключением является вариант IV в табл. 2, где обработку мест сопряжения магистралей требуется проводить после сборки, когда доступ в каналы прекращается. Тогда эффективным методом КО остается наружная зачистка места сварки и ее упрочнение непрофилированным электродом-щеткой за счет подводимой тепловой  энергии и импульсов от соударений периферии инструмента с обрабатываемой поверхностью, подготовленной к упрочнению  электрохимическим воздействием в той же операции. Электрические режимы такого метода приведены в [16].

Геометрия концевых участков и мест соединения магистралей показаны на рис. 3.

Рис. 3. Концевые участки труб (1) для  соединения участков в герметичных магистралях:

а ‒ однослойная труба с усиленными переходными зонами; б ‒ двухслойные трубы после  неподвижной сборки сваркой:

1 ‒ прокладка; 2 ‒ вставка из металла; 3 ‒ присадочный материал; 4 ‒ концевой участок магистрали; 5, 6 ‒ для защиты

внутренней поверхности трубы от капель расплава при сборке; 7 ‒ внутренняя труба

Для всех видов магистралей требуется назначить мероприятия по  повышению  периода работоспособности и ресурса за счет упрочнения и снижение сопротивления течению рабочих сред, особенно на переходных участках, где возникают местные неровности, часть которых не может быть полностью удалена. В технических условиях (табл. 2) указывается на необходимость включения в процесс обработки технологических операций, которые обеспечивают после КМО (а на рис. 3) шероховатость проточного профиля (включая переходные зоны) не ниже Ra = 0,63-1,25, что для легированных сталей достижимо при разработанных приемах  КО по схеме  протягивания   [15] и с использованием непрофилированного электрода по [16]  для варианта IV в табл. 2 и новой  конструкции мест соединения многослойных магистралей (рис. 3, б), показанной на примере  участка дыхательного трубопровода  НВАЭС.

Обобщенным критерием для научного обоснования  выбора технологического приема для эффективного использования в трансмиссиях и магистралях транспортных и энергетических систем является критерий технологичности [7], позволяющий численным методом оценить конкурентоспособность каждого воздействия и их предлагаемые комбинации в едином технологическом процессе [2] с использованием средств технологичеcкого оснащения [4]. Приведенные исследования создают доказательную базу для обоснования целесообразности применения освоенных [1, 4, 6]  или разработки новых [2, 3] комбинированных технологических приемов (КМО), в том числе включающих воздействия для  упрочнения поверхностных слоев с целью повышения качества, надежности и ресурса изделий, рассмотренных в табл. 1 и 2. Режимы и технология КМО приведены в [1] и табл. 3.

Таблица 3. Технологические режимы электрических воздействий освоенных КМО 

Приведенные в табл. 3 режимные параметры расширяют возможности технологов при проектировании процессов обработки типовых деталей, частично приведенных в табл. 1 и 2, на изделия других отраслей машиностроения, где требуемые эксплуатационные показатели могут быть эффективно достигнуты по результатам оценки уровня производственной технологичности.

 Создание научной базы для  выбора и проектирования средств технологического оснащения КМО

 Новые способы и электрод-инструменты  для КМО  внутренних поверхностей типовых заготовок

Приведенные в табл. 1 и 2 объекты комбинированной обработки с изменяющимся по длине профилем при использовании традиционных методов усложняют доступ электродов-инструментов в рабочую зону и не всегда позволяют обеспечить  получение элементов конструкции с требуемыми эксплуатационными характеристиками. Применительно к рис. 1 и рис. 3, а для установки инструмента в канал перед комбинированной обработкой поверхности требуется поместить его через канал до выхода рабочей части за пределы конца  обрабатываемой детали. Однако при традиционной обработке даже с использованием электрода-инструмента, как правило постоянного сечения, наличие концевых напусков в заготовках  не позволяет пропустить через нее концевой упрочняющий элемент. В рассматриваемых типовых конструкциях заготовок  величина напуска не превышает 0,15-0,1 мм, но это нарушает процесс  подготовки к выполнению комбинированной обработки. С участием автора было  применено [15] и расширено создание  нового вида инструментов с изменяющимся сечением рабочей части, технологический процесс управления которым  выполняется по  силе продольного перемещения электрода.

Выбор метода обработки по критерию производственной технологичности [7, 9]  показал, что для комбинированной обработки объектов, приведенных на рис. 3, б предпочтительнее использовать в качестве инструмента электрод-щетку, который при минимальных ограничениях обеспечивает получение достаточно чистой поверхности под дальнейшее упрочнение до требуемого уровня в той же технологической операции.

В табл. 4 приведены обобщенные сведения по методологии назначения в технологический процесс для комбинированной обработки (КО) электродов-инструментов, обеспечивающих достижение требуемых технологических показателей при численной оценке вариантов по критерию полезности производственной технологичности [7].

Таблица 4. Инструмент для комбинированных методов  обработки КО  металлических заготовок с ограниченным доступом в зону удаления припуска и упрочнения поверхностного слоя

Окончание табл. 4

Приведенные в табл. 4 сведения  по комбинированному инструменту для обработки отверстий и наружных поверхностей дают возможность  изготавливать качественные металлические стыковочные узлы при ограниченном доступе  инструмента в зону удаления припуска и упрочнения поверхности заготовки. Характеристики концевых участков длинномерных деталей приведены в табл. 1 и 2. Рассмотрены инструменты нежесткой конструкции, геометрия которых изменяется путем управления давлением внутри катодного элемента. Проанализирована обработка наружных частей  стыковочных узлов магистралей высокого давления, работающих в установках атомных электростанций, где высокая степень автоматизации операций по восстановлению магистралей позволяет сократить  длительность регламентных работ с остановкой  процесса получения энергии, снижает вероятность неблагоприятного воздействия на персонал. Использование  в качестве инструмента электрода в форме щетки позволило до полутора раз повысить ресурс магистралей и получить значительный экономический эффект, подтвержденный документально.

 Выбор и создание нового оборудования для КМО

Для реализации в авиакосмической и энергетической отраслях машиностроения разработанного технологического процесса для типовых деталей, приведенных в табл. 1 и 2, было создано оригинальное оборудование, учитывающее особенности отраслей, специфику использования его на стадии выпуска  новой продукции, а также при ремонте силовых передач и ответственных магистралей высокого давления. Часть такого материала освещена в [15, 16].

Использование результатов исследований КО в машиностроении требует обоснованного выбора оборудования и инструмента для достижения требуемых эксплуатационных показателей. Однако в условиях действующих международных ограничений требуется проектировать и выпускать  средства технологического обеспечения производства собственными силами предприятий  машиностроения. Для этого в большинстве случаев целесообразно создавать технологические объекты на базе изобретений, используемых для обработки аналогичных деталей, эффективность которых подтверждена в процессе их применения за предшествующий период.

Заключение

1. На базе критерия «принцип полезности» [7] для цифровой оценки уровня производственной технологичности разработаны требования к наукоемким объектам, в первую очередь на примерах авиакосмической и энергетической отраслей машиностроения.
2. Раскрыт и научно обоснован выбор, назначение и необходимость создания комбинированных технологических процессов, средств технологического оснащения для методов обработки с оптимальным сочетанием механических и физико-технических воздействий.
3. Предложены технологические решения для повышения качества и эксплуатационных свойств наиболее напряженных концевых и переходных элементов  силовых передач и высоконагруженных ответственных магистралей до достижения эксплуатационного ресурса  не ниже аналогичного показателя всего изделия.
4. Рассмотрены типовые объекты производства, приведены рекомендуемые комбинации в едином технологическом процессе возможных способов обработки, подтвержденных результатами испытаний ведущих научных и производственных организаций страны, внедрением предложенных способов, инструмента и оборудования в машиностроение.

_______________________________

© Уразов О.В., 2025

About the authors

Oleg V. Urazov

Author for correspondence.
Email: 201174uov@mail.ru

Research Engineer

References

Supplementary files