Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и постановка задач исследования 11
1.1 Применение электрохимических технологий в современном машиностроительном производстве 11
1.2 Основные тенденции развития технологий и оборудования для электрохимической размерной обработки 13
1.3 Унификация, как эффективное средство совершенствования машиностроительного производства 16
1.4 Проблемы и перспективы повышения уровня унификации электрохимических технологий 1.4.1 Теоретические и экспериментальные исследования высокоскоростного анодного растворения материалов, как основа создания банков технологических знаний 20
1.4.2 Создание унифицированных средств технологического оснащения 23
1.4.3 Организационно-технические особенности унификации и внедрения технологий ЭХРО 26
1.5 Выводы по главе 1. Основные задачи исследования 27
Глава 2 Методология и общая методика исследований 29
2.1 Структурно-логическая схема и формулирование вопросов исследований 29
2.1.1 Основные вопросы экспериментальных исследований 30
2.1.2 Основные вопросы теоретических исследований 30
2.1.3 Основные технологические и конструкторские разработки 31
2.2 Проведение экспериментальных исследований 31
2.2.1 Исследуемые материалы и их свойства 31
2.2.2 Применяемые электролиты 33
2.2.3 Электрохимические измерения 33
2.3 Оценка технологических характеристик операций ЭХРО 35
2.3.1 Физическое моделирование 35
2.3.2 Станочные эксперименты 36
2.3.3 Измерения показателей качества поверхностного слоя
2.4 Статистические исследования 38
2.5 Выводы по главе 2 39
Глава 3 Моделирование элементов унифицированной технологической системы электрохимической обработки изделий 40
3.1 Моделирование унифицированного технологического процесса электрохимической обработки
3.1.1 Классификационная модель способов и технологий ЭХРО 40
3.1.2 Структурная модель способа ЭХРО 43
3.1.3 Теоретико-множественные модели 47
3.1.4 Алгоритмические модели 50
3.2 Моделирование унифицированных средств технологического оснащения 55
3.2.1 Общая методика подбора оборудования для операций ЭХРО 55
3.2.2 Моделирование электрохимического станка 56
3.2.3 Моделирование технологической оснастки 60
3.2.4 Применение элементов СALS-технологий при проектировании унифицированных операций ЭХРО 64
.3 Выводы по главе 3 65
Глава 4 Методическое и информационное обеспечение процесса проектирования унифицированных технологий ЭХРО 66
4.1 Подготовка базы данных для проектирования унифицированных технологических процессов
ЭХРО 66
4.1.1 Структура базы данных 66
4.1.2 Обрабатываемость исследуемых материалов в условиях ЭХРО 67
4.1.3 Выбор рабочих жидкостей 69
4.1.4 Электрохимическая характеристика пары «металл-электролит» 70
4.1.5 Технологические характеристики, достигаемые при ЭХРО изделий из авиационных материалов 80
4.1.6 Паспорт электрохимической обрабатываемости материала 81
4.2 Разработка расчетных процедур для проектирования технологий ЭХРО обработки пералопаток компрессора 81
4.2.1 Обоснование конкурентоспособности технологии ЭХРО пера лопаток компрессора 82
4.2.2 Методика назначения параметров режима 87
4.2.3 Анализ достижения заданной точности изготовления пера
4.2.3.1 Теоретический анализ точности изготовления пера 92
4.2.3.2 Статистический анализ точности операции ЭХРО профиля пера типового представителя лопаток компрессора 100
4.2.4 Оптимизация параметров режима 106
4.3 Выводы по главе 4 112
Глава 5 Разработка унифицированных технологий ЭХРО 113
5.1 Унифицированные операции производства лопаток компрессора 113
5.1.1 Рекомендации по унификации технологий изготовления лопаток 113
5.1.2 Проектирование технологии изготовления лопаток компрессора 118
5.1.3 Формирование технического облика современного лопаточного станка 122
5.1.4 Проектирование унифицированной оснастки
5.1.4.1 Унификация инструмента 131
5.1.4.2 Переналадка и перенастройка средств технологического оснащения 132
5.2 Групповая операция трепанации окон в деталях типа «втулка» 132
5.4 Технико-экономическая оценка эффективности работ по унификации операций ЭХРО 139
5.5 Выводы по главе 5 141
Основные результаты работы и выводы 142
Список используемых источников
- Теоретические и экспериментальные исследования высокоскоростного анодного растворения материалов, как основа создания банков технологических знаний
- Основные технологические и конструкторские разработки
- Структурная модель способа ЭХРО
- Статистический анализ точности операции ЭХРО профиля пера типового представителя лопаток компрессора
Введение к работе
Актуальность. Одной из основных задач современного машиностроительного производства является снижение себестоимости выпускаемой продукции при обеспечении высокого уровня качества. В условиях многономенклатуриого малосерийного производства важным и востребованным инструментом снижения удельных производственных ресурсозатрат является технологическая унификация, которая осуществляется на различных уровнях. В основе организационно-технических мероприятий по технологической унификации лежит унификация операций.
Если унификация операций механообработки получила теоретическое, методическое и организационное развитие и нашла широкое практическое применение, то для операций, основанных на электрофизических и электрохимических методах обработки, это направление совершенствования производства изучено и используется недостаточно.
Предварительный анализ проблемы, выполненный автором, показал, что сказанное в полной мере относится к операциям электрохимической размерной обработки (ЭХРО), используемым в технологиях авиационного двигателестроения. Низкий уровень унификации этих операций приводит к увеличению ресурсозатрат при технологической подготовке производства новых изделий, малой фондоотдаче из-за недостаточной загруженности станочного парка электрохимических станков, снижению производительности труда.
Унифицированные технологические процессы и средства технологического оснащения для операций электрохимической обработки развиты недостаточно, справочные и методические материалы для их разработки, пригодные для использования в цеховых условиях, практически отсутствуют.
Низкий уровень унификации затрудняет применение современных технологий проектирования операций ЭХРО, снижает их эффективность и конкурентоспособность по отношению к операциям обработки другими методами.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности технологических процессов электрохимической обработки изделий на основе применения принципа технологической унификации.
Основные задачи исследования:
1. Разработать модели унификации технологического процесса ЭХРО,
модели средств технологического оснащения, обеспечивающие структурный
анализ объектов моделирования, методику синтеза объектов моделирования и
методику принятия обоснованных технических решений.
2. Обобщить, дополнить и унифицировать базу данных для
проектирования технологических процессов ЭХРО изделий авиационной
техники.
3. На основе моделирования процессов электрохимического
формообразования разработать инженерную методику выбора и оптимизации
параметров режима для унифицированной операции ЭХРО пера лопаток
компрессора.
4. Обосновать технический облик перспективного электрохимического
лопаточного станка, разработать инженерную методику создания
переналаживаемой технологической оснастки.
-
Выполнить статистический анализ точности операции ЭХРО обработки пера лопаток с целью обоснования принятых технических решений.
-
Разработать технологические рекомендации и унифицированные технологические операции ЭХРО деталей ГТД.
Научная новизна работы заключается в разработке моделей объектов и процедур унификации технологий ЭХРО, обобщении и расширении унифицированной базы данных для технологического проектирования, разработке и анализе модели многопереходной операции ЭХРО.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
1. Создана система моделей, описывающих процесс технологической
унификации операций ЭХРО, выявлены, описаны и апробированы конкретные
процедуры унификации, уточнена методика технико-экономической оценки
результатов технологической унификации.
-
Предложена модель оценки конкурентоспособности операций электрохимической обработки по отношению к альтернативным технологиям обработки резанием. Разработана методика выбора наилучшего варианта обработки в зависимости от геометрических размеров изделия.
-
Получены и обобщены новые сведения об электрохимической обрабатываемости группы авиационных материалов в виде предметно ориентированной базы технологических данных.
4. На основе теоретического анализа суммарной погрешности
изготовления профиля пера лопатки компрессора предложена и обоснована
модель оптимизации параметров режима операции электрохимической
обработки пера.
Практическая значимость работы заключается в разработке и обосновании инженерных методик расчета, практических рекомендаций, технологических процессов и элементов средств технологического оснащения, обеспечивающих создание высокоэффективных типовых и групповых операционных технологий ЭХРО:
1. Разработана инженерная методика технологической унификации
операций электрохимической обработки, и на ее основе сформулированы
рекомендации по повышению уровня унификации конкретных технологий.
-
Предложена информационно емкая технологическая характеристика материала в виде паспорта его электрохимической обрабатываемости (НЭХО), разработана форма такого паспорта.
-
Разработана унифицированная технология обработки пера лопаток компрессора и проведена технико-экономическая оценка ее эффективности.
4. Сформирован технический облик перспективного широкодиапазонного
лопаточного электрохимического станка нового поколения.
5. Разработана эффективная унифицированная технология
электрохимической трепанации окон в деталях топливной аппаратуры.
Достоверность результатов исследований п разработок обеспечивается научно обоснованной методологией теоретических исследований, применением апробированных методик и оборудования для экспериментальных исследований, оценкой точности отдельных измерений, преемственностью полученных результатов и их проверкой в цеховых условиях.
Корректность постановки и решения теоретических и прикладных задач и адекватность предложенных моделей подтверждается использованием при их разработке фундаментальных положений и принципов технологии машиностроения, теоретической и прикладной электрохимии, привлечением методов и средств системного анализа, результатов статистической обработки данных.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы предложены и приняты к внедрению на базовом предприятии ФГУП «ММПП «Салют» в виде:
технологических рекомендаций по проектированию унифицированных технологий ЭХРО;
базы данных для технологических расчетов операций ЭХРО;
- практической методики оптимизации параметров режима операции
электрохимического формообразования пера лопаток компрессора;
- эскизного проекта перспективного лопаточного станка нового
поколения с повышенными функциональными и эксплуатационными
характеристиками;
- проекта унифицированной технологии и средств технологического
оснащения для обработки пера рабочих лопаток выбранной номенклатуры с
технико-экономическим обоснованием эффективности мероприятий по
технологической унификации;
Технический эффект от внедрения мероприятий по унификации операции электрохимической обработки пера лопаток компрессора заключается в снижении трудоемкости операции, повышении технологической надежности, снижении трудоемкости проектных работ при технологической подготовке производства новых изделий. Расчетный экономический эффект от внедрения мероприятий по технологической унификации в производстве рабочих лопаток компрессора составляет на конец 2010 года 1822 тыс.рублей.
Апробация работы. Отдельные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Молодые ученые-2006» (г.Москва, 2006); Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» (г.Кострома, 2007); научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности».- (г.Москва, МАИ, 2007); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2008»
(г.Москва, МАТИ, 2008); научно-техническом семинаре «Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства» (г.Москва, МГТУ «МАМИ», 2009); Международной научно-технической конференции «Электроэрозионные и электрохимические технологии в производстве наукоемкой продукции» (г.Москва, 2010); Международной научно-технической конференции «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» (г. Москва, 2010).
Промежуточные результаты и работа в целом докладывались на семинарах кафедры «Технология машиностроения» МГТУ «МАМИ» в 2008-2010 г.г.
Публикации по теме диссертации. По материалам диссертации опубликованы 14 печатных работ, 6 из которых включены в перечень ВАК для опубликования материалов диссертационных работ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 153 наименований и приложений на 48 страницах. Работа содержит 61 рисунок, 13 таблиц и 154 страницы текста.
Теоретические и экспериментальные исследования высокоскоростного анодного растворения материалов, как основа создания банков технологических знаний
Анализ результатов, достигнутых в этой области технологии машиностроения, с учетом общих тенденций развития машиностроительного производства позволяет сделать обоснованные прогнозы о месте и роли метода ЭХРО материалов в обозримом будущем [7].
1. Выделяют два основных теоретических направления развития метода ЭХРО: — разработка теоретических основ процесса высокоскоростного анодного растворения материалов является важнейшей задачей, связывающей фундаментальную электрохимию с прикладными проблемами электрохимической обработки материалов. В этой области продолжается процесс накопления новых экспериментальных данных [23, 24], разработка новых моделей и теоретических положений [25-30]; - разработка технологических основ метода ЭЭО, создание достаточно простых и надежных методик расчета на основе адекватных моделей макро- и микро-формообразования, переход от эмпирических и полуэмпирических знаний к теоретическому описанию процесса формообразования - важное направление прикладных исследований. Несмотря на достаточно большое число выполненных в этой области работ [31-32], инженерных методик, доступных широкому кругу цеховых технологов, явно недостаточно. CAD/GAM - системы, адаптированные к технологическим задачам ЭХРО, еще только создаются [33, 34]. Отсутствуют развитые банки технологических данных, что затрудняет разработку высокоэффективных технологий.
2. Интеграция информационных и обрабатывающих технологий в области ЭХРО отражает характерную черту современной технологии машиностроения в целом [35]. Эта интеграция выражается в создании современных систем CAD/CAM/CAE, разработке информационно технологических баз данных, повышении уровня технического интеллекта соответствующих станков. Несмотря на интенсивные исследования в этой области [36-37], реальные практические результаты пока заметно отстают от результатов, достигнутых в других областях технологии маши построения.
3. Разработка методов и средств повышения точности и качества обработанной поверхности является самостоятельной задачей метода ЭХРО [38]. Новые результаты в этой области указывают на возможность применения технологий электрохимической обработки в микромашиностроении и создании наноструктурных объектов [39]. Полагают, что в обозримом будущем применение технологий электрохимической обработки в области изготовления элементов с размерами 10"7... Ю-5 м будет расширяться [40].
4. Разработка новых способов электрохимической обработки и их теоретическое обоснование являются методологической базой для создания новых технологий и оборудования [41]. Расширение числа управляющих воздействий на процесс ЭХРО в результате применения биполярного импульсного тока (минимум семь изменяемых параметров), вибрации электродов (4 и более основных изменяемых параметров), пульсирующего потока электролита (4 основных изменяемых параметра) привело к увеличению числа возможных комбинаций и появлению значительного числа патентов на новые способы обработки [42]. Этому способствовало таюке обнаружение новых физико-технических эффектов, влияющих на показатели качества обрабатываемого объекта [43].
Наряду с развитием технологий объемной электрохимической обработки изделий, заметное развитие получили технологии создания поверхностных рельефов с использованием диэлектрических масок и трафаретов [44. 45].
5. Разработка научных основ, технологий и оборудования для защиты окружающей среды и безопасности жизнедеятельности при выполнении электрохимических работ в ряде случаев выступает на первый план. Так, снижение масштабов применения ЭХРО в промышленности Японии непосредственно связано с жестким законодательством по защите окружающей среды в этой стране [46]. Дополнительные затраты на дорогостоящие технологии и оборудование для регенерации и утилизации отходов снижают эффективность основного производства.
В нашей стране разработаны и апробированы относительно дешевые технологии переработки отходов электрохимических производств [2, 47].
6. Расширение номенклатуры материалов, трудно обрабатываемых резанием [48], вызывает необходимость постановки и проведения исследований по обрабатываемости этих материалов электрохимическим методом и оценки технико-экономической эффективности применения ЭХРО. Так, в области авиационного материаловедения созданы титановые сплавы с ультрамелкозернистой структурой [49], интерметаллидные сплавы системы Ti-Al, жаропрочные хромо-никелевые сплавы с включением в состав рения, ниобия, тантала [50]. Проблемным остается вопрос об обработке некоторых видов композиционных материалов, керметов. электропроводных керамик [51]. Технологические исследования в указанном направлении приводят, как правило, к расширению области эффективного применения операций ЭХРО. 7. Создание новых и совершенствование существующих комбинированных методов обработки на основе или с привлечением метода ЭХРО. Разработка интегрированных технологических систем на основе процессов электрохимической обработки. Получили промышленное применение и продолжают развиваться технологии электроэрозионно электрохимической, электрохимико-ультразвуковой, элсктрохимико-лазерной, электрохимико абразивной и других видов комбинированной обработки [2, 52].
8. В условиях гибкого многономенклатурного производства наукоемкой продукции важное значение приобретают работы по технологической унификации операций ЭХРО. Создание групповых операций электрохимической обработки для заданной номенклатуры изделий со схожими технологическими свойствами обеспечивает повышение технико-экономических показателей их производства [53, 54]. В связи с этим подчеркнем необходимость разработки унифицированных банков данных для ЭХРО и включения сведений об электрохимической обрабатываемости материалов в машиностроительный паспорт материала [55]. При создании унифицированных операций ЭХРО на первый план выдвигается задача повышения уровня гибкости станочного оборудования.
9. Дальнейшее повышение технического уровня средств технологического оснащения является необходимым условием и тесно связано с развитием технологий ЭХРО [22]. Совершенствование конструкций станков идет по пути их дальнейшей унификации, модульного принципа построения основных элементов, повышения геометрической и кинематической точности за счет применения новых конструкционных материалов, достижений в области мехатроники, применения современных приводов рабочих и вспомогательных перемещений [56, 57]. Быстрое развитие элементной базы сильноточной электроники раскрывает новые перспективы перед создателями источников питания для электрохимических станков [58]. Значительные технологические резервы могут быть реализованы при разработке новых рабочих сред [2].
Выделим некоторые перспективные направления совершенствования электрохимических станков, исходя из общих тенденций развития мирового станкостроения [59, 60] и специфических особенностей эволюции автоматизированных электротехнологических станочных систем [56, 57].
Повышение функциональных возможностей электрохимических станков является необходимым условием конкурентоспособности электрохимических технологий. Современные станки должны обеспечить реализацию многопереходных операций, в которых интенсивный съем основного припуска сочетается с высокой точностью формообразования. Для увеличения производительности обработки станки оснащают устройствами для быстрой замены инструмента. применяют многоместные и поворотные приспособления. Так в [61] лопатку обрабатывают с одной стороны, затем после поворота заготовки на 180 - с другой.
Практически все имеющиеся на рынке электрохимические станки оснащены системами ЧПУ. Многие из них способны длительное время работать в автоматическом режиме. Поставлена и решается задача автоматизации процессов смены инструмента, загрузки-выгрузки объектов обработки. Станки многих производителей оснащают системами адаптивного управления, элементами искусственного интеллекта.
Улучшаются динамические характеристики станков. Так, для станков с вибрацией электродов разработаны специальные вибросистемы, обеспечивающие высокую поперечную жесткость [62].
Основные технологические и конструкторские разработки
Для выполнения поставленных задач в работе сформулированы следующие вопросы, требующие теоретического решения: 1. Построить модели объектов и процедур унификации технологий. 2. Построить и проанализировать теоретические модели, необходимые для проектирования высокоэффективных операций ЭХРО лопаток:
2.1. Математическую модель технико-экономического обоснования применения операции ЭХРО профиля пера. Использование представленной модели позволит в конкретных производственных условиях оценить конкурентоспособность операции ЭХРО и обосновать целесообразность ее применения. 2.2. Модель формирования суммарной погрешности обработки при изготовлении профиля пера. Модель позволяет оценить составляющие суммарной погрешности обработки на разных стадиях обработки пера и служит основой для разработки оптимизационной задачи.
3. Модель структурной и параметрической оптимизации операции ЭХРО профиля пера. Модель обеспечивает технолога инженерным инструментарием для обоснованного назначения структуры операции ЭХРО лопаток и параметров режима обработки для отдельных переходов.
При моделировании использованы результаты экспериментальных исследований. Результаты моделирования могут служить основой для разработки САЕ- подсистемы автоматизированного проектирования операций ЭХРО лопаток компрессора.
Для решения поставленных задач на основании экспериментальных и теоретических исследований в работе сформулированы следующие вопросы технологического проектирования: 1. Разработать технологические рекомендации по проектированию унифицированных технологий ЭХРО. 2. Разработать унифицированную технологию ЭХРО рабочих лопаток компрессора. 3. Разработать технический облик перспективного станка для обработки лопаток компрессора и унифицированную оснастку к нему. 4. Разработать унифицированную технологию электрохимической трепанации окон в деталях типа «корпус».
Выбранные выше объекты исследования изготовляют из материалов, химический состав и основные свойства которых приведены в таблицах 1 и 2.
Сплав ВТ8 широко применяют при изготовлении лопаток компрессора и ряда других деталей двигателя. Он обладает высокой удельной прочностью, относительно высокой пластичностью. Этот сплав применяется в лопатках компрессора, для которых ниже разработана унифицированная технология. Сплавы ВТЗ-1, ВТ9, ВТ6 с (ее + -структурой также применяют для изготовления лопаток компрессора. Эти сплавы мало отличаются от сплава ВТ8 по своему составу, физико-химическим и технологическим свойствам. Как будет показано далее, их электрохимические свойства также близки. Таблица 1 - Химический состав используемых материалов [113] Марка материала Химический состав (массовая доля), % А1 Мо О Ni Fe V Zr Ті W ВТЗ-1 5,5...7,0 2,0...3,0 0,8...2,3 - 0,2...0,7 - Основа ВТ8 6,0...7,3 2,8. ..3,8 - - - - - Основа ВТ9 5,8...7 2,8...3,8 - - - - 0,8..,5 Основа ВТ6 5,5...7 - - - - 4,2...6 - Основа 12Х18Н10Т - - 17...19 9...И Основа - - 1 14Х17Н2 - - 16...18 1,5...2 Основа - - - 1 ЖСбУ1 5,2...5,8 1,2...1,6 8,6...9,3 Основа 0,5 - - 2,2...2,8 9,8...10 ЖС322 55,7...6,2 00,9... 1,3 44,5...5,3 Основа 0,5 — — — 8,8...9 9,4... 10,4% С Ъ, 0,8... 1,2% Л ; 29..9,5% Со, 3,6...4,3% Re, 3,7...4,3% Та, 1,4... 1,8% № Таблица 2 - Физико-химические и технологические свойства некоторых материалов [113] Материал Свойства рм, г/см є м, г/А-с с„, Дж/г-К Ям, Вт/м-К Тр, С о-в, МПа » обр ВТЗ-1 4,5 1.22-10"4 0.46 8 420 1000 0.5 ВТб 4,4 1,2-10"4 0,5 9 450 1000 0,5 ВТ8 4,48 1,23-10"4 0,46 7,1 450 1030 0,5 12Х18Н10Т 7,9 1,68-10"4 0,5 16 700 550 0,7 14Х17Н2 7,75 1,96-Ю-4 0,462 22 720 550 0,7 ЖС6У 8,2 1,92-Ю-4 0,4 10 1100 800 од ЖС32 8,4 2,05-10 4 0,4 — 1200 1000 0,05 Тр - предельная рабочая температура, тв - предел прочности, Ко6р - ко эффициент обрабатываемости резанием по отношению к стал і45 Коррозионную сталь аустенитного класса 12Х18Н10Т применяют для различных конструкционных элементов, в частности, для деталей топливной аппаратуры и различных агрегатов двигателя.
Жаропрочный сплав ЖС6У-ВИ используют не только для изготовления деталей турбины, но и для штампов изотермической штамповки, которые должны обладать высокой прочностью при температуре 910...950 С. Кроме приведенных в таблице компонентов в него входят 0,13...0,19 % углерода, 1,2. ..1,6% молибдена, 0,8. ..1,2% ниобия и в малых количествах - бор, цирконий, церий, иттрий, кремний, марганец. Унифицирование технологии изготовления штампов из этого материала проведено в [112]. 2.2.2 Применяемые электролиты
При выполнении исследований использовались водные растворы минеральных солей квалификации «Ч»: хлористый натрий, бромистый натрий, азотнокислый натрий, хлорнокислый натрий. Применялись бисолевые растворы: хлорид-нитратные, хлорид-перхлоратные. Для приготовления растворов использовали дистиллированную воду [58]. В станочных экспериментах применялась техническая вода.
Система включает в себя державку 1 способную совершать микрометрические настроечные перемещения в вертикальном направлении, на которой закреплена стеклянная ячейка 2. В нижней части ячейки установлен измерительный зонд - стеклянный капилляр 3, заполненный электропроводным раствором специального состава. В процессе измерений верхний торец капилляра диаметром 50... 100 мкм подводится на минимально возможное расстояние к торцу электрода 4, изготовленного из исследуемого материала. Боковая поверхность цилиндрического электрода 4 защищена от воздействия электрического поля диэлектрическим экраном, представляющим собой втулку, напрессованную на этот электрод. Электрод 4 установлен в шпинделе J и в процессе работы вращается вместе с ним. Вспомогательный электрод 6 находится в патрубке ячейки 2, отделенном от основного объема фильтром Шотта 7.
Вращающийся дисковый электрод используется совместно со специальным источником питания - потенциостатом ПИ 50-1 с соответствующей регистрирующей аппаратурой. Потенциостат работает в двух режимах: с контролем потенциала и с контролем тока. В первом случае напряжение между торцом капилляра и поверхностью электрода (электродный потенциал а) поддерживается постоянным (потенциостатический режим) или изменяется по определенному закону (потенциодинамический режим), а изменение тока во времени фиксируется. Во втором случае ток, протекающий через электрохимическую ячейку, поддерживается постоянным (гальваностатический режим) или изменяется по определенному закону (гальванодинамический режим), а фиксируется изменение анодного потенциала во времени.
По результатам измерений строили поляризационные кривые, характеризующие, с одной стороны, нелинейное электрическое сопротивление на границе раздела фаз электрод/электролит, а с другой, - особенности протекания элекгродной реакции.
Измерения выхода по току производили в гальваностатическом режиме. После пропускания через электрохимическую систему заданного количества электричества О (Кл) находили величину съема материала Am, как разность масс образца до и после травления Измерение массы производили на аналитических весах ВЛА- 200 с точностью 10 4 г. Выход по току рассчитывали по выражению
Структурная модель способа ЭХРО
Унифицированное приспособление за счет переналадки обеспечивает базирование, закрепление и обработку всех деталей унифицированной группы и по своим габаритным и установочным размерам соответствует рабочей зоне станка.
Унифицировать инструмент для копировально-прошивочных электрохимических операций, как правило, невозможно. Эта отличительная особенность операций ЭХРО, осуществляемых по методу прямого копирования, в которых используют инструмент с индивидуальной рабочей частью. Унификации подлежат установочные и посадочные элементы инструмента, в отдельных случаях — корпус инструмента.
Унифицированная база данных совместно с унифицированной системой инженерных расчетов обеспечивает адаптацию технологии, оптимизацию параметров режима для каждой конкретной детали, входящей в группу и формирование управляющей программы.
Учитывая структурную формулу (8), для проектирования УТП необходимо создать процедурно-алгоритмическую среду (УСП, УБД, УСР, ПО) и порождающую среду (УС, УП, УИ).
УСБЗД - унификация схемы базирования и закрепления заготовки; УСТ - унификация схемы токоподвода; УСПЭ - унификация системы подачи электролита; УСНПР - унификация системы назначения параметров режима; РУП - разработка унифицированного приспособления; МПИУС - выбор, модернизация, проектирование и изготовление унифицированного станка; УЭИ - унификация электрода-инструмента; РИННТС - разработка инструкции по наладке и настройке технологической системы; УТД — унифицированная технологическая документация; J - «Есть в наличии подходящий станок?» Рисунок 10 - Алгоритм синтеза УТП 1. Унификация детали. На этом этапе создают множество деталей из действующей и перспективной номенклатуры изделий предприятия, обладающих схожими конструкторско технологическими или технологическими признаками [67, 68]. Для данной группы выбирают или разрабатывают унифицированную (типовую или групповую) деталь в виде чертежа и технических требований на изготовление [53].
При формировании группы деталей, подлежащих обработке по унифицированной технологии, необходимо обосновать целесообразность применения операции ЭХРО для каждой детали этой группы. Для этого используют методики сравнения технико-экономических показателей ТП для двух или более альтернативных вариантов обработки. Такая методика представлена ниже применительно к технологии электрохимической обработки пера лопаток компрессора. Выполнение этой процедуры позволяет, обычно, ограничить диапазон основных размеров деталей, входящих в группу.
2. Унификация схемы базирования и закрепления заготовки. Для данной унифицированной детали разрабатывают унифицироватіую заготовку с указанием комплекта баз и их геометрических характеристик. Составляют унифицированную схему базирования и закрепления заготовки на станке. Проверяют пригодность данной схемы для всех деталей группы.
3. Унификация системы токоподводов. Выбирают подходящие токоподводы для унифицированной заготовки и производят проверочный расчет токоподводов для наихудших условий их использования при обработке всех деталей группы.
Единообразие схем базирования, закрепления и подвода технологического тока необходимы для разработки унифицированного приспособления. На этих этапах может произойти сужение первоначально сформированного множества деталей группы;
4. Унификация системы подачи электролита предполагает единообразие гидравлического тракта в рабочей зоне и возможность использования единой гидромагистрали, насоса и системы очистки электролита. При необходимости для отдельных деталей группы устанавливают дополнительные элементы типа переходников, перемычек, диффузоров или конфузоров, включаемых далее в комплект наладки станка.
5. Унификация системы инженерных расчетов при назначении параметров режима предполагает разработку единой методики расчета, единой базы данных, программного обеспечения и технических средств. Для этого адаптируют соответствующую методику к деталям данной группы, согласуют ее с имеющейся базой данных, составляют программу автоматизированного выбора параметров в диалоговом режиме и вводят ее в компьютер станка. Это позволяет осуществить быструю перенастройку станка непосредственно на рабочем месте. На этом этапе проектирования унифицированной технологии расчетным путем находят диапазон изменения, верхнее и нижнее значения каждого параметра режима применительно к обработке деталей данной группы.
6. На основе этих данных, принятой ранее схемы базирования и закрепления, схемы подачи электролита в зону обработки формулируют технические требования к станку. При наличии в станочном парке предприятия или на рынке оборудования станка с приемлемой технической характеристикой осуществляют выбор станка. При необходимости разрабатывают задание на модернизацию существующего станка. Если путем выбора или модернизации не удается назначить подходящее оборудование, составляют задание на проектирование и изготовление нового унифицированного станка.
7. Разработка унифицированного приспособления, пригодного для обработки любой детали выбранного множества при минимальной трудоемкости переналадки осуществляется на основе схемы базирования и закрепления заготовки, схемы поданії электролита, размеров рабочей зоны станка и комплекта установочных элементов рабочей зоны. Приспособление комплектуют набором элементов, необходимых для его переналадки (кольца, втулки, проставки, прокладки и пр.).
Статистический анализ точности операции ЭХРО профиля пера типового представителя лопаток компрессора
Из представленных формул видно, что обрабатываемость материалов при ЭХРО является характеристикой пары «материал-электролит», поскольку входящие в (27) величины п, ц, Д# , х характеризуют интенсивность растворения материала в электролите данного состава. Понягно, что оценку обрабатываемости материала в электролитах различного состава целесообразно осуществлять при одинаковых параметрах режима обработки (/, а) и при одинаковой удельной электропроводности электролита х- В этом случае обрабатываемость можно характеризовать значениями степени окисления ионов металла, переходящих в раствор п, выхода по току основной анодной реакции ц и суммой электродных потенциалов Aq , как это предлагалось в [136]. Практически при оценке обрабатываемости определяют эффективную валентность пЭф, принимая выход по току равным 1, или выход по току, задавшись определенным значением п [84]. Наиболее полной характеристикой обрабатываемости, определяемой как экспериментально, так и расчетом, является удельная скорость растворения ууд.
Значения анодного и катодного потенциалов рй и (рк расчету не подлежат и определяются экспериментально [83-86]. Следует отметить, что данные, приведенные в справочной технологической литературе, разноречивы, не систематизированы и часто получены при несопоставимых условиях электролиза. Поэтому целью настоящего раздела четвертой главы является систематизация данных по обрабатываемости группы исследуемых материалов.
Для получения недостающих или выборочной проверки существующих данных проводили эксперименты с использованием ячейки, показанной на рисунке 56. После приготовления электролита заданного состава цилиндрический образец диаметром 8... 10 мм взвешивали на аналитических весах ВЛА-200. После обработки образца в гальваностатическом режиме с использованием источника питания GPR-3520 (зазор 0,3 мм, входное давление 0,4 МПа), осуществляли повторное взвешивание и получали значение массы растворенного материала Am. Использовали систему подачи электролита станка ЭТМ-200К. Удельную скорость растворения ууд (г/Кл) определяли гравиметрически по выражению vyfl - Am/It (28)
Для сопоставления экспериментальных данных рассчитывали теоретическое значение удельной скорости растворения по формуле (5). Расчет электрохимического эквивалента для сплавов проводили по выражению (2). Приведенные в таблице Б.1 приложения Б значения электрохимического эквивалента основных материалов авиационного двигателестроения, рассчитаны в предположении перехода в раствор ионов основных компонетов материала в следующей степени окисления: Fe(lll), М(И). Cr(VI), PF(VI), Re(Wl), Со(П), 77(IV), Altjll) [23]. Принято, что остальные легирующие компоненты переходят в раствор в виде ионов высшей степени окисления.
Значения анодных потенциалов принимались по результатам поляризационных измерений, описанных в п. 2.2.3, с использованием хлорсеребряного электрода сравнения. Капилляр Луггина-Хабера [84] с диаметром торца 60... 100 мкм, заполненный насыщенным раствором КС1, подводили на минимальное расстояние к торцу вращающегося дискового электрода и проводили поляризационные измерения в заданном режиме. Таким образом получали гальваностатические, гальвано- и потенциодинамические поляризационные кривые. Приведенные ниже данные пересчитаны по отношению к водородному электроду сравнения [114]. Выход по току на вращающемся дисковом электроде определяли гравиметрически в гальваностатическом режиме при пропускании через электрохимическую ячейку 36 Кл электричества.
В таблице Б.2 приложения Б представлены значения линейной скорости растворения некоторых исследуемых материалов при различных плотностях тока. Пересчет значений других показателей обрабатываемости выполняют по формулам (27). В таблицах Б.З и Б.4 представлены значения удельной скорости растворения титановых сплавов, полученные в хлорид-нитратных водных растворах и в некоторых водно-органических электролитах.
Рабочую жидкость выбирают с учетом химического и структурно-фазового состава материала заготовки и требований к технологическим результатам операции ЭХРО, действующих требований по безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии. Методика выбора рабочей жидкости представлена в [2].
Обычно осуществляют предварительный выбор состава электролита по имеющимся рекомендациям или по результатам тестового эксперимента с последующей оптимизацией концентраций компонентов раствора, нахождением диапазона рабочих температур и гидродинамических условий электролиза. Рекомендуемые составы электролитов для обработки авиационных материалов и необходимые справочные данные для оценки свойств и характеристик выбранного раствора приведены в таблицах Б.5 - Б. 10 приложения Б.
В таблице Б.5 обобщены данные, позволяющие осуществить предварительный выбор состава электролита для решения конкретной технологической задачи. Ориентировочные значения выхода по току для некоторых материалов, полученные в водных растворах на основе хлорида и нитрата натрия, приведены в таблице Б.6. Значения выхода по току при ЭХРО титановых сплавов в водных растворах минеральных солей представлены в таблице Б.7. Рекомендации по выбору рабочих жидкостей для обработки некоторых конкретных материалов представлены в таблице Б.8.
Знание основных физико-химических свойств рабочих жидкостей необходимо при выполнении технологических расчетов. В таблицах Б.9-Б.11 приведены справочные данные для определения удельной электропроводности, в таблицах Б.12-Б.13 - значения температурного коэффициента электропроводности, в таблице Б. 14 — значения кинематической вязкости некоторых водных растворов электролитов, в таблице Б. 15 - физико-химические свойства некоторых растворителей. Данные, отражающие зависимость плотности раствора электролита от концентрации растворенного вещества сведены в таблице Б. 16.
Выбор электролита значительно упрощается при наличии карт эффективности электролитов, составленных для отдельных групп материалов. Такая карта для электрохимической обработки изделий из титановых сплавов представлена, например, в работе [2].
Пользуясь представленными данными и задавшись критерием эффективности электролита, подбирают подходящий раствор (таблица Б.5). При тепловых расчетах используют теплофизические характеристики растворов электролитов (таблица Б. 17), для оценки интенсивности газовыделения используют данные таблице Б. 18. Приведенные таблицы содержат необходимые сведения для проектных и проверочных расчетов параметров режима, элементов оборудования и оснастки.
