Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса изготовления двухопорных лопаток компрессора ГТД 8
1.1 Анализ исследований в области обработки двухопорных лопаток 8
1.2 Способы электрохимической обработки двухопорных лопаток 13
1.3 Параметры процесса ЭХО двухопорных лопаток, определяющие производительность и качество обработки 20
1.4 Выводы по главе
1. Постановка цели и задач исследования 29
2 Разработка математической модели электрохимической обработки двухопорных лопаток 31
2.1 Конструктивные параметры двухопорных лопаток 31
2.2 Выбор варианта технологического процесса изготовления двухопорных лопаток 37
2.3 Математическая модель формирования погрешности при ЭХО поверхностей проточной части двухопорных лопаток 48
2.4 Выводы по главе 2 57
3 Экспериментальное исследование процесса электрохимической обработки поверхностей поточной части двухопорных лопаток 58
3.1 Экспериментальная установка и методика проведения исследований 58
3.2 Определение зависимости среднего арифметического отклонения профиля микронеровностей и погрешности обработки от основных параметров процесса ЭХО
3.3 Определение зависимости производительности обработки от основных параметров процесса ЭХО 80
3.4 Выводы по главе 3 85
4 Область применения электрохимической обработки при изготовлении двухопорных лопаток 86
4.1 Разработка научно-обоснованных рекомендаций по проектированию технологических процессов изготовления двухопорных лопаток с использованием электрохимической обработки для формирования поверхностей проточной части 86
4.2 Разработка алгоритма внедрения процесса электрохимической обработки поверхностей проточной части двухопорных лопаток 92
4.3 Расчет погрешности изготовления поверхностей проточной части двухопорных лопаток 95
4.4 Выводы по главе 4 102
Заключение 103
Условные обозначения 105
Список использованных источников 107
Приложения 116
- Параметры процесса ЭХО двухопорных лопаток, определяющие производительность и качество обработки
- Выбор варианта технологического процесса изготовления двухопорных лопаток
- Определение зависимости производительности обработки от основных параметров процесса ЭХО
- Разработка алгоритма внедрения процесса электрохимической обработки поверхностей проточной части двухопорных лопаток
Параметры процесса ЭХО двухопорных лопаток, определяющие производительность и качество обработки
Теоретически возможно получать все поверхности проточной части двухопорных лопаток за одну установку детали с использованием размерной электрохимической обработки при простой кинематике перемещения инструмента (при ЭХО сложнопрофильных поверхностей используется прямолинейная траектория подачи электродов), до настоящего времени на практике такая возможность не реализована.
Практическая реализация технологии ЭХО основана на работах по теории процесса [1, 2, 3], технологии [4, 5] и оборудованию [6, 7, 8]. Авторами исследований, посвященных ЭХО, являются Ф.В. Седыкин, В.А. Волосатов, Б.П. Саушкин, В.Г. Шляков, Л.Я. Попилов, И.И. Мороз, Г.Н. Зайдман, А.В. Рыбалко, В. Н. Гусев, В. П. Смоленцев, З.Б. Садыков, Г. Н. Корчагин, В. В. Любимов, Ю. С. Волков, В. В. Клоков, А. Н. Зайцев, С. М. Галанин, В. М. Волгин, Е. И. Филатов, Н. А. Амирханова, К.М. Газизулин, Б.П. Орлов, Л.Б Уваров, Д.З. Митяшкин и др.
В работе [9] указывается, что прежде всего выбор метода обработки зависит от обеспечения этим методом оптимального физико-химического состояния поверхностного слоя для заданных условий эксплуатации и ресурса. Критерии производительности и экономичности при этом отходят на второй план. Для высоконагруженных деталей ГТД (лопаток), работающих в условиях высоких температур и агрессивной среды, предпочтительна минимальная деформация поверхностного слоя и его напряженность, что достигается при шероховатости профиля пера Ra 0,63...0,16 мкм. Для таких деталей применяется электрохимическая обработка с последующим механическим полированием, обеспечивающим удаление следов растравливания по границам зерен. В поверхностном слое детали в процессе эксплуатации происходят процессы, способствующие ухудшению прочностных характеристик. Интенсивность деструктивных процессов определяется качеством поверхностного слоя, зависящего от применяемых методов обработки. Доказано, что условия разрушения детали формируются при реализации той или иной технологии. При использовании лезвийной обработки в поверхностном слое детали генерируются процессы, способствующие ее повреждению. Увеличение остаточной деформации определяет снижение реального запаса прочности металла и долговечности вследствие снижения запаса пластичности металла, ухудшения характеристик циклической долговечности, повышения чувствительности к перегрузкам.
Для каждого металла или сплава и заданных условий эксплуатации существует определенная величина допустимой деформации. Для лопаток ГТД, изготавливаемых из жаропрочных и жаростойких сплавов, оптимальным, исходя из условий усталостной и длительной прочности, является поверхностный слой с незначительным поверхностным упрочнением. Такой слой будет отличаться остаточной деформацией в пределах =1...4%, глубиной наклепа до 20 мкм. С увеличением глубины и степени наклепа влияние поверхностного наклепа на усталостную прочность возрастает [10].
В ряде случаев уменьшение остаточных напряжений в поверхностном слое детали (прежде всего растягивающих) приводит к повышению долговечности. Так оптимизация режимов окончательной механической обработки, использование электрохимической обработки позволяют увеличить несущую способность материала детали. С увеличением срока эксплуатации влияние параметров качества поверхностного слоя на усталостную прочность сплавов при рабочих температурах возрастает. Следовательно, требования к качеству поверхностного слоя лопаток компрессора современного ГТД гражданского назначения выходят на первое место. Микрорельеф поверхности при электрохимической обработке формируется в результате двух одновременно протекающих процессов: процесса сглаживания шероховатости, достигнутой на предыдущих этапах обработки, и процесса образования шероховатости, вызванной химической неоднородностью материала. Процесс сглаживания шероховатости изучен авторами Кричмаром С.И., Седыкиным В.Ф., Головачевым В.А. и другими [4, 11]. Предложены зависимости, позволяющие оценить величину интенсивности сглаживания шероховатости, в том числе с применением импульсного технологического тока. Однако при этом отмечено, что окончательная шероховатость поверхности на операции электрохимической обработки, определяется неоднородностью химического состава материала.
Авторами Киселевым П.С., Глазовым В.М., Мочаловой Г.Л. отмечено увеличение микротвердости за счет газонасыщения у титановых сплавов, доказывается, что для различных сталей при электрохимической обработке наклеп отсутствует, в отличие от шлифования и фрезерования.
Процесс анодного растворения металла играет важное значение для формирования заданных эксплуатационных свойств. В.А. Тормышев и И.Н. Сотов указывают, что использование электрохимического формообразования в технологическом процессе изготовления детали приводит к повышению усталостной прочности.
При электрохимической обработке титановых сплавов происходит наводораживание поверхности, под которым понимается проникновение водорода в поверхностный слой материала. Особенно заметно воздействие повышенного содержания водорода в поверхностном слое при циклическом нагружении образцов [12, 13]. В работе рассматриваются различные методы определения степени наводораживания поверхности.
Выбор варианта технологического процесса изготовления двухопорных лопаток
В технологическую систему, предназначенную для практической реализации технологического процесса, входят электрохимический станок, электроды-инструменты, мастер-лопака и приспособление. Приспособление предназначено для установки обрабатываемой заготовки в камеру станка. К конструктивным особенностям приспособлений для ЭХО относится следующее: 1 Материалом основной части приспособлений служат корозионно-стойкие стали; 2 Зажимные и базирующие элементы изготавливаются из ниобия (т.к. этот материал практически не подвергается травлению при ЭХО, обладая при этом достаточной прочностью); 3 Установочные и зажимные элементы изолируются от корпуса приспособления; 4 Конструкция приспособления должна обеспечивать возможность подведения токоподвода к детали и его надежного крепления. Электроды-инструменты предназначены для формирования геометрии поверхностей проточной части обрабатываемой лопатки методом обратного копирования в процессе электрохимической обработки.
Мастер-лопатка предназначена для изготовления рабочих поверхностей электродов-инструментов. Процесс осуществляется следующим образом. Мастер-лопатка устанавливается в приспособление, на станке устанавливается обратная полярность (к электродам-инструментам подводится положительный полюс от источника технологического тока, к детали – отрицательный) и осуществляется процесс ЭХО. Использование мастер-лопатки позволяет устранить погрешности установки детали и электродов-инструментов в камере станка. Точность изготовления мастер-лопатки должна быть в 10 раз выше точности изготовления детали. В качестве материала, как правило, используются латунь или бронза. Данные материалы имеют хорошую обрабатываемость резанием и высокую электропроводность. Также в таком случае при необходимости могут быть легко скомпенсированы погрешности изготовлении.
Математическая модель формирования погрешности при ЭХО поверхностей проточной части двухопорных лопаток
Точность формообразования поверхностей проточной части на операции электрохимической обработки зависит от большого числа факторов. Факторы, определяющие погрешность изготовления поверхностей проточной части лопатки, характеризуются взаимным влиянием и различной степенью интенсивности. Степень интенсивности воздействия факторов определяется возможностью воздействия на результат ЭХО внешних условий (например, параметров микроклимата производственного помещения, параметров сети и иных). Рассмотрим процесс формообразования поверхностей проточной части двухопорных лопаток с учетом формирования погрешностей на каждой стадии подготовки и реализации операции электрохимической обработки. Современное производство авиационных газотурбинных двигателей отличается широким применением виртуального моделирования и проектирования. Такой подход позволяет сократить затраты, выявить принципиальные недостатки на раннем этапе и повысить скорость выхода продукта от стадии проекта до его натурного воплощения. Методы виртуального проектирования позволили повысить производительность труда не только конструкторов, но и технологов. На операции ЭХО для изготовления рабочих частей электродов-инструментов используется мастер-лопатка. Математическая модель мастер-лопатки получается путем преобразования исходного профиля лопатки и впоследствии используется для разработки управляющей программы на станке с ЧПУ.
Требования к точности изготовления двухопорных лопаток определяются прежде всего условиями ее работы и служебным назначением. При использовании операции ЭХО для формирования профиля пера, радиусов переходов, полки двухопорных лопаток возникает погрешность обработки, формирование которой может быть рассмотрено отдельно для каждой координатной оси. Система координат для рассматриваемой детали представлена на рисунке 2.10.
Формула, отражающая формирование погрешности при ЭХО поверхностей проточной части двухопорных лопаток, может быть представлена в виде функции, где в качестве переменных используются погрешности лопатки, возникающие при реализации первой и второй позиции обработки:
Погрешность лопатки, возникающая при электрохимической обработке. состоит из трех составляющих: погрешность лопатки в направлении оси ОХ (x), погрешность лопатки в направлении оси ОУ (y), погрешность лопатки в направлении оси ОZ (z).
Анализ операционного эскиза выполнения операции ЭХО, представленного на рисунке 2.11, позволяет определить, что в направлении оси ОХ обеспечивается размер хорды профиля пера (размеры ); в направлении оси ОУ обеспечиваются максимальная толщина профиля пера и толщины кромок (размеры , ,); в направлении оси ОZ обеспечивается расположение сечений вдоль оси профиля пера. При этом погрешность изготовления радиусов скругления кромок (размеры , ), угла закрутки профиля пера по сечениям является результатом взаимного влияния вышеперечисленных погрешностей в пространстве. Таким образом, выражение, определяющее погрешность обработки на первой позиции, будет иметь вид: .i= (2) где – погрешность изготовления электродов-инструментов, предназначенных для использования на первой позиции; – погрешность изготовления технологических баз детали; – погрешность процесса ЭХО при реализации первой позиции; – погрешность установки съемной кассеты в неподвижную часть приспособления при реализации первой позиции; – координатные оси, в направлении которых формируются погрешности. Выражение, определяющее погрешность обработки на второй позиции, может быть представлено следующим образом: 2= (3) где – погрешность изготовления электродов-инструментов, предназначенных для использования на второй позиции; – погрешность процесса ЭХО при реализации второй позиции; – погрешность установки съемной кассеты в неподвижную часть приспособления при реализации второй позиции.
Формулы (2) и (3) справедливы для случая, когда для окончательной доводки профиля электродов-инструментов используется мастер-лопатка. Такой подход позволяет компенсировать погрешность установки приспособления в камере станка и электродов-инструментов на шпинделях станка, поэтому эта составляющая в выражениях (2) и (3) не рассматривается. Внешний вид мастер-лопаток, используемых на операции ЭХО двухопорных лопаток, представлен на рисунке 2.12. Представленная формула формирования погрешности изготовления двухопорных лопаток позволяет выявить баланс основных составляющих при использовании операции ЭХО для формирования поверхностей проточной части
Определение зависимости производительности обработки от основных параметров процесса ЭХО
При обработке двухопорных лопаток рекомендуется использовать следующее оборудование: многокоординатные фрезерно-расточные центры, электрохимические станки для обработки элементов проточной части лопаток мод. ЭХЛ-100, полировальные бабки, горизонтально-протяжные станки и ряд других. Большинство геометрических параметров изготавливаемых лопаток могут быть проверены с использованием универсальных измерительных средств (штангенциркули, микрометры). Величина шероховатости контролируется профилометрами-профилографами, технические характеристики которых позволяют выполнять измерения сложнопрофильных поверхностей. Для контроля отклонения формы и расположения поверхностей, контроля точности обработки профиля пера лопатки, используются контрольно-измерительные машины. Технологический процесс, схема которого представлена на рисунке 4.1, целесообразно использовать в условиях среднесерийного производства. На основании производственной статистики ПАО «НПО «Сатурн» для лопаток компрессора с длиной пера до 100 мм, ЭХО выгодно использовать при объеме выпуска продукции 400-600 деталей/месяц. Это обусловлено значительными затратами на технологическую подготовку производства и длительностью наладки операции ЭХО.
С целью выполнения операции электрохимической обработки поверхностей проточной части лопаток двухопорных лопаток разработаны следующие технологические рекомендации:
1) В конструкции приспособления для ЭХО двухопорных лопаток предлагается использовать специальную съемную кассету, что обеспечивает достижение требуемой точности и формирование всех элементов проточной части на одной операции электрохимической обработки.
2) Конструкция токоподвода должна обеспечивать возможность подведения тока к детали в любой позиции.
3) Направление подачи шпинделей станка относительно продольной оси лопатки должно составлять 60. Данное требование обусловлено необходимостью одновременного формирования полки, радиуса перехода и части профиля пера лопатки. 4) Прокачка электролита осуществляется поперек профиля пера, вследствие конструктивных особенностей деталей.
5) Для доводки рабочих поверхностей электродов-инструментов используются мастер-лопатки, что обуславливает наибольшую точность и скорость доводки. ЭХО электродов осуществляется на обратной полярности, когда в качестве инструмента используется мастер-лопатка, что позволяет компенсировать погрешности расположения детали в камере станка, а также особенности электрохимического формообразования.
6) В качестве электролита для электрохимической обработки рекомендуется использовать водный раствор калиевой или натриевой селитры требуемой концентрации. В частности для обработки исследуемой лопатки из сплава ЭП-718 был использован водный раствор натриевой селитры и поваренной соли.
7) Для увеличения срока эксплуатации оснастки и обеспечения надежности подвода тока конструктивные части узлов, находящиеся в камере станка, должны быть надежно защищены. При проведении экспериментов на токоподвод и отдельные узлы оснастки было нанесено защитное покрытие из порошковой краски ПЭП-0130, обеспечивающее удовлетворительную стойкость и достаточную степень защиты.
К конструкции приспособления, используемого на операции ЭХО, предъявляются следующие технические требования: 1) Для изготовления приспособления используются коррозионно-стойкие материалы; 2) Точность изготовления базирующих элементов лопатки в пределах 6-7 квалитета. Обработка осуществляется в сборе; 3) Отклонение соосности центров не более 0,02 мм; 4) Отклонение перпендикулярности штифтов относительно оси центров не более 0,01 мм; 5) Точность изготовления базовых поверхностей приспособления не более 0,02 мм; 6) Точность изготовления остальных поверхностей в пределах 10 квалитета; 7) В конструкции приспособления предусмотреть крепежные элементы, обеспечивающие неподвижность кассеты в процессе обработки. Электроды-инструменты, должны соответствовать следующим техническим требованиям: 1) Шероховатость базовых и рабочих поверхностей не более 0,8 мкм; 2) Шероховатость остальных поверхностей не более 3,2 мкм; 3) Позиционный допуск на изготовление базовых отверстий не более 0,04 мм; 4) Точность изготовления базовых поверхностей в пределах 7 квалитета; 5) Окончательная обработка рабочих поверхностей осуществляется путем ЭХО на обратной полярности с использованием мастер-лопатки.
Обеспечение вышеперечисленных технических требований позволяет обеспечить требуемое качество электрохимической обработки профиля пера, радиусов переходов и полок двухопорных лопаток.
Разработка алгоритма внедрения процесса электрохимической обработки поверхностей проточной части двухопорных лопаток Использование электрохимической обработки в технологических процессах изготовления лопаток современных газотурбинных двигателей имеет следующие преимущества: высокая производительность, отсутствие износа сложнопрофильного инструмента, отсутствие остаточных напряжений. К недостаткам электрохимической обработки относятся: высокая стоимость и длительность технологической подготовки производства, значительная энергоемкость процесса, стоимость комплекса электрохимического оборудования, сложность и малая степень изученности протекающих при ЭХО процессов. С точки зрения экономической целесообразности использования технологии ЭХО, ее рациональная область применения относится к среднесерийному и массовому типу производства.
Существующие математические модели электрохимической обработки имеют следующие недостатки. Строго определенные условия применения, сложность использования в производственных условиях, большой объем производимых вычислений, зависимость от большого количества факторов. Это ограничивает возможность широкого распространения результатов, полученных в результате применения какой-либо математической модели процесса электрохимической обработки.
По этой причине применение математической модели ЭХО лопаток с одним хвостовиком не позволяет получить достоверных результатов для изготовления двухопорных лопаток.
В главе 3 представлены эмпирические зависимости влияния основных параметров процесса ЭХО (напряжения, межэлектродного зазора, давления газоэлектролитной смеси, температуры электролита) на основное время, точность обработки и среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости поверхности. На рисунке 4.2 представлен алгоритм внедрения операции электрохимической обработки поверхностей проточной части двухопорных лопаток, в котором для выполнения расчетов используются полученные зависимости.
Параметры процесса ЭХО поверхностей проточной части могут быть определены исходя из производственного опыта того или иного предприятия, получены опытным путем или из различных научных исследований.
Разработка алгоритма внедрения процесса электрохимической обработки поверхностей проточной части двухопорных лопаток
В представленных формулах наибольший интерес представляют составляющие , т.к. они характеризуют погрешность процесса электрохимической обработки. Значения прочих погрешностей, входящих в состав формул, могут быть получены в процессе обмера электродов-инструментов, оснастки и технологических баз детали.
Физический смысл составляющих погрешности представлен в таблице 2.3 данной работы. Система координат лопатки, для которой производится расчет, показана на рисунке 4.3.
В экспериментальной части работы автором было исследовано влияние процесса ЭХО на величину разброса максимальной толщины профиля пера лопатки (по подразделу 3.1). При этом в процессе проведения эксперимента погрешности изготовления технологических баз детали и изготовления электродов-инструментов были практически сведены к 0, что подтверждено соответствующими замерами.
Расположение систем координат относительно изготавливаемой заготовки Как следует из рисунка 4.3 и операционного эскиза ЭХО двухопорной лопатки, представленного на рисунке 4.4, максимальная толщина профиля пера детали это операционный размер, обеспечиваемый в направлении оси . Экспериментальные исследования, выполненные в рамках выполнения работы, позволяют выполнить расчет погрешности процесса ЭХО только в направлении этой координатной оси. Погрешности и представляют собой погрешность изготовления электродов-инструментов в направлении оси , предназначенных для использования на первой и второй позициях обработки, соответственно. На основании требований конструкторской документации и результатов замеров, выполненных на ПАО «НПО «Сатурн», величина данных погрешностей не превышает 0,02 мм. Погрешность представляет собой погрешность изготовления технологических баз детали. На рисунке 4.4 показана схема двухопорных лопаток на операции ЭХО. В направлении оси неподвижность детали обеспечивает двойная направляющая база (точки 1, 2, 3, 4), имеющая материальное воплощение в виде двух центровочных отверстий. В соответствие с требованиями технологической документации и результатами замеров, выполненных на ПАО «НПО «Сатурн», погрешность изготовления центровочных отверстий лопатки не превышает 0,05 мм.
Операционный эскиз ЭХО двухопорной лопатки Рисунок 4.5 – Схема базирования двухопорной лопатки на операции ЭХО Погрешности процесса ЭХО ( и ) могут быть рассчитаны с соответствие со выражением (8): где Е – величина разброса результатов измерения максимальной толщины профиля пера, мм; U – напряжение технологического тока (среднедействующее), В; P – давление газожидкостной смеси на входе в станок, МПа; – величина межэлектродного зазора, мм; – температура электролита, С. Минимальная погрешность процесса ЭХО достигается при следующих параметрах: U=30 В, P=0,40 МПа, =0,1 мм, =18 С, по рисунку 3.17.
Подставляем параметры процесса ЭХО в выражение, представленное выше, и получаем мм. Погрешность установки сменной кассеты в неподвижную часть приспособления, не более 0,04 мм. 100 Для рассматриваемого случая погрешность изготовления двухопорных лопаток на операции ЭХО в направлении оси будет рассчитываться следующим образом: мм Сравниваем полученное значение погрешности с допуском на изготовление максимальной толщины профиля пера, равным 0,1 мм (в соответствие с рисунком 4.3). Неравенство выполняется, условия реализации операции и выбранные параметры процесса ЭХО обеспечивают требуемую точность изготовления двухопорных лопаток.
Рассмотрим пример расчета погрешности изготовления в направлении координатной оси OY, для лопатки, операционный эскиз изготовления которой показан на рисунке 4.6. Данная лопатка изготавливается из жаропрочного сплава марки ЭП-33. Погрешности изготовления ЭИ ( и ) в направлении оси на основании требований конструкторской документации и результатов замеров, выполненных на ПАО «НПО «Сатурн», равны 0,02 мм. Погрешность представляет собой погрешность изготовления технологических баз детали. Для базирования лопатки, представленной на рисунке 4.5, в связи с ее малыми габаритами используются поверхности хвостовиков. Погрешность изготовления базовых поверхностей составит 0,07 мм. Погрешности процесса ЭХО ( и ) рассчитываются, по формуле (8) представленной в подразделе 3.1: