Введение к работе
Актуальность работы. Производство авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) является одной из наиболее сложных и наукоемких отраслей машиностроения. Потребность рынка новой техники в этой области за период с 2003 по 2022 годы оценивают суммой в 500млд. долларов США, рынка ремонта и эксплуатационных услуг - 1500млд. долларов. Поэтому в условиях жесткой конкуренции авиадвигателестроительных компаний постоянно совершенствуются, разрабатываются и внедряются качественно новые методы и средства обработки, повышается технический уровень существующих технологий и средств оснащения.
К началу XXI века наметилась тенденция к снижению темпов роста по основным показателям качества двигателей: удельной тяге, удельному расходу топлива, надежности и ресурсу (0,5... 1 % в год). Считают, что добиться их существенного увеличения на базе традиционных технологий невозможно. Поэтому в отрасли авиационного двигателестроения широко представлены и интенсивно развиваются физико-химические методы и технологии обработки. Эти методы и технологии, область применения которых постоянно расширяется, позволяют эффективно решать существующие и перспективные технологические задачи.
К числу таких задач относят получение поверхностных рельефов типа аэродинамических занижений глубиной 10...30 мкм с высокими требованиями к точности и качеству поверхности {Ra = 0,2.. .0,4 мкм). Близкие технологические задачи решают при разработке технологий нанесения информации на поверхность деталей авиационной техники (глубина знака 3... 5 мкм). Указанные операции гравирования и маркирования невозможно или нецелесообразно выполнять традиционными средствами обработки резанием. Поэтому для их реализации все шире применяют электрохимические и электроэрозионные технологии.
Несмотря на достигнутые успехи в этой области, многие вопросы проектирования технологий и средств технологического оснащения для получения поверхностных рельефов методами электрохимической (ЭХО) и электроэрозионной (ЭЭО) обработки не решены. Применительно к производству авиационной техники отсутствуют или являются малодоступными методики проектирования, не завершена технологическая база данных, практически отсутствует технико-экономическое обоснование операций электроэрозионной и электрохимической микрообработки, рекомендации по проектированию средств технологического оснащения носят, преимущественно, общий характер.
Целью диссертационной работы является обоснование и технологическое обеспечение процессов электрохимической и электроэрозионной обработки поверхностных рельефов, создание на их основе эффективных технологий гравирования и маркирования деталей ГТД.
Объектом исследований является процесс проектирования высокоэффективных технологий получения поверхностных микрорельефов, основанный на закономерностях электрохимического и электроэрозионного формообразования.
Научная новизна работы заключается в разработке и анализе математических и физических моделей процессов электрохимического и электроэрозионного формообразования поверхностных рельефов, обобщении и расширении базы данных для технологического проектирования.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
Модель электрохимического формообразования поверхностных рельефов глубиной 10...30 мкм с учетом сопутствующих процессов тепло- и массопереноса при различных условиях формирования электрического поля и перемешивания рабочей среды. Результаты теоретического анализа геометрических параметров получаемых занижений: глубины травления, радиусов сопряжения и угла наклона стенок.
Результаты экспериментального исследования процесса электрохимического формообразования аэродинамических занижений: новые закономерности формирования микро-и макрогеометрии, взаимосвязи между параметрами режима электролиза и выходными технологическими характеристиками операции электрохимического гравирования для различных способов ЭХО.
Результаты теоретического и экспериментального анализа процесса электроэрозионного формообразования аэродинамических занижений глубиной 10...30 мкм методом прямого копирования и методом следов.
Результаты теоретического и экспериментального анализа процесса электрохимического формирования занижений глубиной 3... 5 мкм. Теоретическое обоснование нового технического решения для повышения качества маркирования изделий из материалов авиационного двигателестроения.
Практическая значимость работы заключается в разработке и обосновании инженерных методик расчета, практических рекомендаций, технологических процессов и элементов средств технологического оснащения, обеспечивающих создание высокоэффективных технологий электрохимического и электроэрозионного гравирования и электрохимического маркирования. Практические результаты работы представлены в виде:
технологических рекомендаций по проектированию операций электрохимического гравирования аэродинамических занижений глубиной 10...30 мкм для двух различных способов электрохимической обработки;
разработанного и внедренного технологического процесса и оборудования для электрохимического гравирования аэродинамических занижений на торце детали «гайка» двигателя АИ-222;
технологических рекомендаций по проектированию операций электроэрозионного изготовления аэродинамических занижений;
результатов технико-экономического анализа альтернативных технологий получения аэродинамических занижений и рекомендаций по их эффективному применению;
технологических рекомендаций по проектированию операций электрохимического маркирования деталей ГТД, обеспечивающих замещение импорта расходных материалов. Новый способ и полезную модель для электрохимического нанесения информации на труднодоступные и малоразмерные поверхности деталей ГТД.
Результаты диссертационной работы (акт передачи от 20.04.2011) предложены, частично реализованы или приняты к внедрению на предприятии ФГУП «НГЩ газотурбостроения «Салют». Технический эффект от внедрения результатов диссертационной работы заключается в снижении трудоемкости проектных работ при технологической подготовке производства, повышении производительности изготовления и уровня качества изделий, снижении удельных ресурсозатрат, повышении технологической надежности и культуры производства.
Классификационная формула работы. Диссертационная работа направлена на решение практически важной научно-технической задачи - эффективному технологическому обеспечению изготовления поверхностных рельефов на деталях машин. Результаты исследований, полученные автором, могут служить научно-методической основой технологической подготовки производства новых изделий с элементами поверхностного рельефа, в том числе использованы для получения аэродинамических занижений глубиной 10...30 мкм, элемен-тов-турбулизаторов в трубчатых теплообменниках, регулярных микрорельефов на поверхностях трения глубиной 5...50 мкм, системы канавок и пазов лабиринтных уплотнений, нанесения конструкторско-технологической информации на поверхности деталей машин.
Достоверность результатов исследований и разработок обеспечивается научно-обоснованной методологией теоретических исследований, применением апробированных методик и оборудования для экспериментальных исследований, оценкой точности отдельных измерений, преемственностью полученных результатов и проверкой поученных результатов в цеховых условиях.
Личный вклад автора заключается в получении, обобщении и систематизации экспериментальных результатов, разработке и анализе основных математических и физических моделей. Постановка задач исследований и обсуждение результатов выполнялись совместно с научным руководителем. Обсуждение отдельных результатов и подготовка совместных публикаций проводилась вместе с соавторами, указанными в списке опубликованных работ.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плаз-менные методы модификации металлических поверхностей» (Кострома, 2007 г.); научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, МАИ, 2007 г.); научно-техническом семинаре «Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства» (Москва, МАМИ, 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Электроэрозионные и электрохимические технологии в производстве наукоемкой продукции» (Москва, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» (Москва, 2010 г.), Молодежной научно-технической конференции «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2011 г.). Отдельные результаты и работа в целом докладывались на семинарах кафедры технологии машиностроения МГТУ-МАМИ в 2008-2011 г.г.
Научные публикации по теме диссертации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, 6 из которых включены в перечень ВАК для опубликования материалов диссертационных работ. В процессе работы над диссертацией получен патент на изобретение.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 181 наименования и приложения на 23 страницах. Работа включает в себя 78 рисунков, 29 таблиц и 152 страницы текста.
