Введение к работе
Актуальность работы. Постоянное совершенствование современных теплонагруженных лопаточных машин (ТЛМ) для транспортных и стационарных установок направлено на повышение качества изготовления, ресурса и эксплуатационной надёжности, сокращения затрат на производство. Одним из эффективных методов повышения эксплуатационных характеристик ТЛМ является значительное повышение температуры газа перед турбиной. Но увеличение температуры, которая может достигать значений до 2200 К, приводит к снижению ресурса деталей и изделия в целом. Применение же новых более жаропрочных сплавов и теплозащитных покрытий не всегда позволяет устанавливать требуемую высокую температуру. В связи с этим актуализируется значение эффективности охлаждения деталей ТЛМ, работающих в высокотемпературном поле. К таким деталям относятся сопловые и рабочие лопатки турбины, жаровые трубы, газосборники лопаточных машин и т.п. Эффективность работы этих деталей во многом определяется эффективностью охлаждения их холодным воздухом, который подается через специально изготовленные отверстия малых диаметров от 0,45 мм до 1,8 мм, расположенных под прямыми и острыми углами (от 10 до 90) к охлаждаемым поверхностям и с соотношением глубины отверстий к диаметру от 5 до 20. В качестве материалов для этих деталей применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе типа ЖС6ВИ, ЖС26, ЖС32, ЧС70-ВИ и др., которые трудно поддаются обработке лезвийным режущим инструментом. Поэтому основным наиболее распространённым способом обработки таких отверстий является электроэрозионный метод прошивки стержневыми электродами-инструментами (ЭИ). В связи с большой номенклатурой деталей и множеством различно расположенных отверстий трудоёмкость обработки таких отверстий весьма велика. Например, при обработке более 110 000 отверстий малых диаметров в 150 деталях авиационной лопаточной машины общая трудоёмкость составляет более 3 000 нормочасов. Большая трудоёмкость, кроме того, вызвана и повышенными требованиями к обеспечению качества обработки отверстий, среди которых отклонение размера по диаметру не более 0,050,1 мм; шероховатость поверхности Ra3,2 мкм; глубина изменённого слоя (без микротрещин) допускается не более 20 мкм.
Применяемая в настоящее время технология электроэрозионной обработки (ЭЭО) отверстий малых диаметров стержневыми неподвижно установленными ЭИ по производительности и качеству не удовлетворяет растущим требованиям производства лопаточных машин. В последнее время для обработки таких отверстий внедрятся более эффективный метод – электроэрозионное сверление (ЭЭС), т.е. электроэрозионная обработка с использованием полого вращающегося ЭИ и прокачкой под давлением диэлектрической рабочей среды через внутреннее отверстие. Опыт показывает, что применяя новый метод ЭЭС с научно-обоснованным управлением динамическими и электрическими параметрами процесса можно, помимо значительного повышения производительности, уменьшить теплонапряжённость процесса, повысить точность отверстий,
уменьшить шероховатость обработанной поверхности и глубину изменённого слоя. Однако внедрение нового метода ЭЭС сдерживается из-за отсутствия результатов научных исследований по установлению закономерностей массовыноса и взаимосвязей между динамическими и электрическими условиями обработки, требуемыми параметрами производительности, стойкости ЭИ и качества обработки. Отсутствуют практические рекомендации по выбору оптимальных режимов обработки, по внедрению нового процесса на деталях ТЛМ из жаропрочных сплавов. Поэтому рассматриваемая тема работы является весьма актуальной.
Работа выполнялась в соответствии государственной программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (постановление Правительства РФ № 568 от 26.07.2008 г.).
Цель работы
Совершенствование процесса ЭЭС отверстий малых диаметров в деталях теплонагруженных лопаточных машин из жаропрочных сплавов путём интенсификации массовыноса и создания технологического процесса с управляемой очисткой межэлектродных каналов и оптимизацией электрических параметров.
Задачи исследования
-
Раскрытие физической природы и механизма повышения производительности ЭЭС отверстий путём управления массовыносом на основе математического моделирования движения жидкости рабочей среды и исследования термодинамики электроэрозионного взаимодействия с материалом из жаропрочного сплава вращающегося ЭИ с внутренней прокачкой рабочей среды под высоким давлением, обеспечивающем более эффективную очистку межэлектродного промежутка от продуктов эрозии.
-
Расчёт и установление оптимальных значений скорости вращения ЭИ, давления прокачки жидкости, обеспечивающих эффективную очистку межэлектродного промежутка от продуктов эрозии.
-
На основе многофакторного планирования экспериментов разработка эмпирической математической модели, устанавливающей взаимосвязи электрических и динамических параметров процесса ЭЭС, при массовыносе продуктов обработки для выбора оптимальных режимов обработки и управления процессом с целью повышения производительности, улучшения качества и снижения износа ЭИ в процессе технологической подготовки производства.
-
Разработка технологических рекомендаций для проектирования процесса ЭЭС при обработке отверстий малых диаметров в различных деталях ТЛМ из жаропрочных сплавов.
Методы исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории электрических методов обработки, технологии машиностроения, термодинамики и гидравлики. Для математической обработки экспериментальных данных и проверки адекватности математических моделей использовались методы регрессионного анализа и математической статистики. Моделирование, обработка и анализ результатов исследований проводились с использованием вычислительной техники и лицензионных программных пакетов ANSYS, Excel и др.
Экспериментальные исследования проводились с использованием современных методик, аттестованных приборов и аппаратуры, с применением методов многофакторного планирования экспериментов в лабораторных и производственных условиях.
Научная проблема – создать теорию массовыноса продуктов обработки, позволяющую интенсифицировать прошивку отверстий малого диаметра на большую глубину.
Научная новизна работы
-
Установлена физическая природа и механизм повышения производительности процесса ЭЭС за счёт управления массовыносом продуктов обработки вращающимся полым ЭИ с одновременной прокачкой через внутренний канал рабочей жидкости под высоким давлением.
-
Теоретически и экспериментально установлены оптимальные значения величин давления для прокачки рабочей среды и скорости вращения ЭИ для различных диаметров отверстий, обеспечивающие требуемое удаление продуктов обработки и повышение скорости прошивки отверстий до 15-20 раз по сравнению с известными методами ЭЭО при снижении глубины изменённого слоя не менее чем в 1,5 раза.
Практическая значимость
-
На основе многофакторного планирования экспериментов разработаны эмпирические математические модели, определяющие интенсификацию процесса массовыноса с учётом электрических и динамических параметров процесса электроэрозионного сверления, для ускоренного выбора оптимальных режимов обработки и управления ими с целью повышения производительности, улучшения качества и снижения износа ЭИ.
-
С использованием математических моделей разработан алгоритм и составлена компьютерная программа, позволяющая ускоренным методом назначать оптимальные режимы и обеспечивать интенсификацию процесса ЭЭС отверстий малых диаметров в деталях ТЛМ из жаропрочных сплавов в процессе технологической подготовки производства.
-
Определены оптимальные режимы ЭЭС и разработан технологический процесс обработки отверстий малых диаметров в жаропрочных сплавах, в том числе обоснован расчёт давления прокачки рабочей среды и скорости вращения ЭИ, обеспечивающих интенсивный вынос продуктов обработки и увеличение скорости прошивки отверстий малого диаметра, что позволяет существенно повысить производительность, улучшить качество обработки и увеличить стойкость ЭИ.
-
Данные рекомендации внедрены в производство при изготовлении большой номенклатуры деталей на ОАО «Пермский моторный завод». При этом значительно сократилась трудоёмкость обработки, а глубина изменённого поверхностного слоя перфорированных отверстий снизилась в 1,5 раза. Внедрение новой технологии позволило получить годовой экономический эффект более двух миллионов рублей.
Достоверность и обоснованность научных результатов
Подтверждается сходимостью экспериментальных и производственных данных с результатами теоретических исследований и моделирования процесса ЭЭС, а также практической реализацией результатов исследований на производстве.
Результаты исследований внедрены в трёх механических цехах ОАО «Пермский моторный завод» при обработке охлаждающих отверстий в более чем 30 наименований деталей: рабочих и сопловых лопатках турбины высокого давления, газосборниках, жаровых трубах из жаропрочных сплавов на никелевой основе.
Материалы исследований используются в учебном процессе в ПНИПУ по дисциплине «Технология машиностроения».
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях различного уровня: IV-й ежегодной Всероссийской научно-техническая конференции молодых специалистов (Уфа 2008); Международном молодёжном форуме «Будущее авиации за молодой Россией» - международный салон «Двигатели-2010», (Москва 2010); Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», (Севастополь 2010, 2013); «I международной научно-практической конференции «Молодые учёные прикамья – 2011», (Пермь 2011); Всероссийской научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии в машиностроении», (Башкортостан 2012); Международных молодёжных научно-технических чтениях им. А.Ф. Можайского, (Алушта 2013).
Работа экспонировалась на выставках авиационной тематики и металлообрабатывающего оборудования и отмечена дипломами на XI международном салоне «Двигатели-2010» в Москве в 2010 г.; на выставке «Станки. Приборы. Инструмент» в Перми в 2011, 2012 и 2013г.г.
В полном объёме работа заслушивалась, обсуждалась и рекомендована к защите на заседаниях: кафедры ИТМ ПНИИПУ (г. Пермь); кафедры РМСИ РГАТУ (г. Рыбинск); кафедры ТМС ВГТУ (г. Воронеж).
Публикации
По теме диссертации опубликовано16 научных работ, в том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения. Текст диссертации изложен на 130 страницах,
