Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ уровня развития электрохимической обработки лопаток ГТД 9
1.1 Патентный анализ разработок в области круговой электрохимической обработки лопаток ГТД 9
1.2 Циклограммы перемещения электродов-инструментов при электрохимической обработке лопаток ГТД 13
1.3 Особенности конструкции электродов-инструментов для круговой электрохимической обработки лопаток ГТД и методы их изготовления 23
1.4 Математическое моделирование в области ЭХО 36
1.5 Выводы по главе 1. Постановка цели и задач исследования 41
2 Разработка математической модели круговой электрохимической обработки 43
2.1 Технологические требования к детали при выполнении операции круговой ЭХО 43
2.1.1 Описание конструкции заготовки лопатки перед выполнением операции круговой ЭХО 43
2.1.2 Требования к профилю пера лопатки после выполнения операции круговой ЭХО 45
2.2 Выбор схемы движения электродов и электролита для операции круговой ЭХО 47
2.3 Математическое моделирование и изготовление электродов- инструментов для круговой ЭХО 52
2.4 Математическая модель круговой ЭХО лопаток ГТД. 55
2.4 Выводы по главе 2 58
3 Технологическое оборудование и оснастка для круговой электрохимической обработки лопаток ГТД 60
3.1 Установка для круговой электрохимической обработки лопаток 60
3.1.1 Станки для круговой электрохимической обработки лопаток 60
3.1.2 Источники питания 73
3.1.3 Система управления электрохимической установкой 82
3.2 Элементы технологической системы для реализации круговой электрохимической обработки детали представителя 84
3.2.1 Мастер-лопатка 84
3.2.2 Электроды-инструменты 86
3.2.3 Рабочее приспособление 88
3.3 Установка по сбору, очистке и стабилизации параметров электролита 90
3.4 Выводы по главе 3 98
4 Экспериментальное исследование процесса круговой электрохимической обработки лопаток 99
4.1 Экспериментальная установка и методика проведения исследований 99
4.2 Разработка математической модели и определение зависимости высоты микронеровностей от основных параметров процесса круговой ЭХО 105
4.3 Оценка точности формообразования при круговой электрохимической обработке в зависимости от основных параметров процесса 111
4.4 Разработка математической модели и определение зависимости
производительности обработки от основных параметров процесса круговой ЭХО 120
4.5 Выводы по главе 4 123
5 Определение оптимальных режимов круговой электрохимической обработки 124
5.1 Разработка алгоритма определения оптимальных режимов круговой ЭХО на основе математической модели процесса 124
5.2 Разработка технологических рекомендаций для реализации процесса круговой ЭХО. 130
5.3 Выводы по главе 5 133
Общие выводы 135
Условные обозначения 137
Список использованных источников
- Особенности конструкции электродов-инструментов для круговой электрохимической обработки лопаток ГТД и методы их изготовления
- Требования к профилю пера лопатки после выполнения операции круговой ЭХО
- Элементы технологической системы для реализации круговой электрохимической обработки детали представителя
- Оценка точности формообразования при круговой электрохимической обработке в зависимости от основных параметров процесса
Введение к работе
Актуальность темы. Лопатки газотурбинного двигателя представляют собой наиболее ответственные и нагруженные детали, определяющие ресурс и надежность его работы. Работоспособность лопаток определяется не только прочностными характеристиками используемых материалов и геометрическими размерами, но в значительной степени формируются технологическими методами обработки, используемыми в процессе изготовления. Создание технологии их изготовления связано с использованием накопленного в машиностроении опыта для обработки деталей, имеющих развитые пространственно-сложные поверхности, в относительно больших количествах, в том числе методами электрохимической обработки (ЭХО).
Метод электрохимической обработки лежит в основе технологии производства лопаток ГТД, так как по многим показателям превосходит другие известные методы механической обработки. ЭХО обеспечивает точность обработки по первому классу ОСТ 1.02571-86, заданные параметры качества поверхностного слоя, обладает высокой производительностью и низкой себестоимостью в серийном производстве деталей. Уникальность размерной ЭХО характеризуется такими особенностями, как незначительная зависимость производительности от механических свойств материала; отсутствие износа инструмента; слабое влияние на физико-механические характеристики поверхностного слоя, уменьшающееся с повышением степени интенсификации процесса; относительная простота и универсальность оборудования для реализации метода и сравнительно низкая трудоемкость его переналадки.
В работе рассмотрены основные направления развития методов размерной ЭХО, одним из таких направлений является необходимость сокращения доводочных операций после выполнения операции ЭХО, в частности, устранение фрезерования поверхности полки и радиусов сопряжения, ручной обрезки входной и выходной кромок лопатки. Обработка всех элементов проточной части пера лопатки получила название круговой электрохимической обработки. Совершенствование и внедрение в производство круговой размерной ЭХО позволит повысить производительность и качество изготовления лопаток ГТД.
Работа выполнена в рамках комплексного проекта «Создание высокотехнологичного производства лопаток малоступенчатых высоконапорных компрессоров газотурбинных установок – центра компетенций ОДК» и имеет важное экономическое и практическое значение. Этим определяется актуальность представленной работы.
Цель работы. Повышение производительности и качества круговой электрохимической обработки лопаток компрессора ГТД на основе моделирования и оптимизации режимных параметров процесса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать математическую модель круговой размерной электрохимической обработки на основе анализа технологических схем и оснастки, используемых на операции размерной ЭХО профиля пера лопаток ГТД.
-
Разработать требования к технологическому оборудованию и оснастке для реализации процесса круговой размерной ЭХО проточной части пера компрессорных лопаток ГТД.
-
Получить регрессионные модели точности, средней арифметической высоты микронеровностей и производительности для электрохимического формообразо-
вания, учитывающие влияние основных параметров процесса круговой размерной ЭХО.
-
Разработать методику и алгоритм определения предварительных параметров процесса круговой размерной ЭХО с учетом имеющихся входных и выходных характеристик процесса и детали.
-
Внедрить разработанный технологический процесс и методику в серийное производство лопаток компрессора ГТД.
Методы исследований. При решении поставленных в работе задач проводились теоретические и экспериментальные исследования. Работа выполнена на основе современных положений технологии машиностроения и фундаментальных законов электрохимической обработки. В работе применялись методы математической статистики, многофакторного планирования экспериментов и регрессионного анализа. Экспериментальные исследования проводились с использованием современной аппаратуры, методик и пакетов компьютерных программ.
Научная новизна. Разработана математическая модель круговой электрохимической обработки, позволяющая на основе баланса точности технологической системы назначить требования к изготовлению ее элементов (мастер-лопатки и электродов-инструментов), и на основе регрессионных зависимостей определить режимы ЭХО, обеспечивающие повышение производительности и качества обработки лопаток компрессора ГТД.
Исследован цикл управления электродами-инструментами, разделенный на три этапа: этап формообразования проточной части лопатки (корыта и спинки) с циклической подачей, этап формообразования кромок лопатки с постоянной подачей и этап окончательного формирования профиля без подачи.
Получены регрессионные модели круговой размерной ЭХО, учитывающие влияние основных параметров процесса, и позволяющие определить допустимые значения параметров процесса ЭХО при обработке сплава TA6V. Определены диапазоны изменения основных параметров процесса для обеспечения заданной точности, средней арифметической высоты микронеровностей и производительности обработки.
Практическая значимость работы заключается в том, что проведенные исследования позволили определить оптимальные значения параметров процесса ЭХО для обработки сплава TA6V и возможные диапазоны их изменения для получения заданной точности обработки, средней арифметической высоты микронеровностей (не более 1 мкм) при максимальной производительности и разработать рекомендации для производства.
Предложены методики разработки основных элементов технологической системы: проектирования, изготовления и доработки мастер-лопатки и электродов-инструментов.
На основании полученных математических зависимостей разработана методика и алгоритм предварительного расчета и оптимизации режимов круговой электрохимической обработки.
Реализация результатов работы. Результаты работы используются на ОАО «НПО «Сатурн» при производстве лопаток компрессора ГТД двигателя SaM-146, а также в научно-исследовательской и педагогической работе на кафедре «Резание материалов, станки инструменты имени С.С. Силина».
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на: ХХХIII Гагаринских чтениях (г. Москва, МАТИ 2007 г.), Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве» (г. Рыбинск, РГАТУ 2007 г.); Шестидесятая научно-техническая конференция студентов, магистров и аспирантов (г. Ярославль, ЯГТУ 2007 г.), Международном межотраслевом молодежной научно-техническом форуме «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» (г. Москва, МАИ 2013 г.).
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы 159 страниц, 74 рисунка, 19 таблиц и список используемых источников из 82 наименований.
Особенности конструкции электродов-инструментов для круговой электрохимической обработки лопаток ГТД и методы их изготовления
Сводный анализ всех рассмотренных циклограмм представлен в таблице 1.4, отражающей их основные достоинства и недостатки. Из таблицы 1.4 следует, что наиболее оптимальной с точки зрения производительности и точности обработки при реализации технологии круговой электрохимической обработки является импульсно-циклическая схема подачи электродов-инструментов.
Необходимо также отметить, что обработка всех элементов профиля пера лопатки возможна только при движении ЭИ под определенным углом относительно вертикальной оси лопатки. Данное требование справедливо для всех кинематических схем. Движение ЭИ под углом требуется для формирования полки лопатки и радиусов перехода. Угол подачи ЭИ выбирается исходя из конструктивных особенностей лопатки, при этом учитывается изгиб профиля и необходимость исключения зон в которых ЭИ может идти по касательной к поверхности лопатки.
Возможность учетанеравномерности распределенияприпуска и деформаций лопаткив процессе обработки + + 1.3 Особенности конструкции электродов-инструментов для круговой электрохимической обработки лопаток ГТД и методы их изготовления
Выбор конструкции электродов-инструментов для осуществления операции электрохимической обработки лопаток ГТД имеет основополагающее значение, при выборе и проектировании конструкции необходимо соблюдение баланса между простотой и функциональным назначением. Чрезмерное усложнение формы недопустимо в виду сложности последующей корректировки или восстановления профиля ЭИ [36, 37].
Циклограмма обработки, используемая в оборудовании для ЭХО лопаток, также оказывает существенное влияние на конструктивные особенности электродов.
К конструкции электродов-инструментов для круговой электрохимической обработки предъявляются следующие требования: 1) Обеспечение обработки всех элементов проточной части лопатки на операции электрохимической обработки с минимальной погрешностью.
2) Минимальные затраты на проектирование, изготовление и доводку профиля электродов-инструментов.
3) Возможность обработки всех элементов проточной части лопатки без изменения конструкции (или с минимальной корректировкой) имеющегося оборудования и оснастки.
В области электрохимической обработки элементов проточной части лопаток выделяются три основные конструкции электродов-инструментов, которые могут быть использованы для круговой электрохимической обработки.
1) Первая из рассматриваемых конструкций предполагает элементов проточной части лопатки двумя электродами-инструментами (со стороны «спинки» и со стороны «корыта» лопатки, в соответствии с рисунком 1.8) при синхронном движении шпинделей станка. При этом для обработки всех элементов проточной части (полки, радиусов переходов и кромок лопатки) направление подачи осуществляется под углом к оси лопатки в пределах 20-80[38]. Аналогичная схема обработки используется на станках с постоянной подачей ЭИ производства «WINBRO GROUP TECHNOLOGIES», Великобритания. Внешний вид ЭИ приведен на рисунке 1.8.
К преимуществам описываемой конструкции электродов-инструментов относится [39, 40]: 1) Простота изготовления ЭИ. 2) Обработка всех элементов проточной части лопатки с минимальной погрешностью. 3) Отсутствие серьезных изменений, вносимых в системы управления оборудованием и источником технологического тока. Недостатком представленной конструкции является невозможность получения окончательной формы входной и выходной кромок при использовании любой другой схемы кроме схемы с постоянной подачей ЭИ. Это объясняется необходимостью смыкания электродов на заключительном этапе формирования проточной части пера лопатки. Так, например, для получения окончательной формы входной и выходной кромок лопатки при циклической схеме обработки необходимо занижение зоны смыкания ЭИ на величину рабочего зазора (0,1…0,15 мм) для каждого электрода, т.е. фактически искусственно создается ситуация, препятствующая смыканию ЭИ и окончательному формированию кромок при смыкании при а 0,01…0,02 мм.
Схема формирования кромок при круговой ЭХО с использованием циклической схемы подачи ЭИ представлена на рисунке 1.9.
Вторая конструкция электродов-инструментов, используемая для круговой электрохимической обработки, представлена на рисунке 1.10. Особенность данной конструкции заключается в том, что для обработки кромок лопатки используется один электрод-инструмент («спинка»), а второй («корыто») определяет только геометрию профиля пера. а = (0,05… 0,0)
Электроды-инструменты установлены с возможностью перемещения навстречу друг другу, а на их границах выполнены элементы для обработки кромок, при этом при смыкании электроды-инструменты образуют замкнутый объем вокруг обрабатываемой детали [41].
Требования к профилю пера лопатки после выполнения операции круговой ЭХО
Процесс круговой ЭХО профиля пера лопаток ГТД, а именно обработка поверхности пера, радиусов переходов, полок и кромок лопатки за одну операцию может быть реализована только на оборудовании, позволяющем осуществлять перемещение шпинделей под углом относительно нормали к продольной оси лопатки. Такая особенность оборудования позволяет исключить необработанные зоны на полке лопатки и в радиусе перехода. Выбор угла движения шпинделей, а также направление подачи электролита (вдоль или поперек профиля пера лопатки) определяется конструктивными особенностями лопаток.
Наиболее сложными для реализации круговой ЭХО являются направляющие лопатки компрессора, имеющие сложную пространственную форму с большим изгибом оси профиля по длине пера. Внешний вид направляющей лопатки компрессора современного ГТД представлен на рисунке 3.2.
Для лопаток, имеющих сложную пространственную форму с большим изгибом оси профиля по длине пера угол движения шпинделей не должен превышать 20 относительно нормали к продольной оси лопатки, превышение данного значения угла приведет к наличию участков профиля, обработанных с большой погрешностью, образующейся в местах профиля расположенных касательно к направлению движения ЭИ. Уменьшение угла в свою очередь может привести к снижению точности копирования полки лопатки. Таким образом, для направляющих лопаток угол движения электродов-инструментов относительно нормали имеет определяющее значение и выбирается индивидуально для каждого типоразмера лопаток. Для некоторых типоразмеров направляющих лопаток обработка профиля пера может вестись с направлением движения электродов-инструментов по нормали к продольной оси лопатки. Очевидно, что в таком случае полка лопатки не будет формироваться на операции ЭХО, соответственно и реализация операции круговой ЭХО при этом невозможна.
Сложность круговой обработки направляющих лопаток ГТД связана также с необходимостью направления электролита вдоль профиля пера, что не всегда возможно из-за сильного изгиба профиля пера. Рисунок 3.2 – Внешний вид направляющей лопатки компрессора современного ГТД
Учитывая указанные выше особенности оборудования для круговой ЭХО лопаток ГТД для реализации операции можно выделить следующие модели электрохимических лопаточных станков.
Для такого типа лопаток оптимально подходят станки с углом движения шпинделей относительно нормали к продольной оси лопатки равным 30. Это станки моделей ЭХЛ-100 и ЭХС-10БМ, производства ОАО «НПО «Сатурн».
Для такого типа лопаток оптимально подходят станки с углом движения шпинделей относительно нормали к продольной оси лопатки до 20. Это станки моделей Искра-38.2 и bET8080-2D, производства ОАО ИНТЦ «Искра» и ООО «ECM», соответственно.
Внешний вид станка ЭХЛ-100 и рабочей камеры с указание их основных элементов и представлен на рисунке 2.4.
Особенностью конструкции рабочей камеры заключается в возможности максимальной автоматизации процесса, а именно, [43, 67]: 1) Автоматическое зажатие и разжим заготовки, за счет установки одного или двух гидроцилиндров поджима (в зависимости от конструктивных особенностей заготовки). 2) Возможности установки и снятия заготовки промышленным роботом. 2) Возможности установки и снятия заготовки промышленным роботом. Шпиндели станка перемещаются под углом 30 относительно нормали к продольной оси лопатки. При этом перенастройка угла движения шпинделей станка конструктивно не предусмотрена. Шпиндель станка представляет собой гидроцилиндр двухстороннего действия, управляемый посредством струйных золотников. Технические характеристики станка мод. ЭХЛ-100 представлены в таблице 3.1.
Для установления координаты перемещения электродов-инструментов на корпуса гидроцилиндров устанавливаются оптические линейки жестко связанные со штоками гидроцилиндров. Также на штоках со стороны камеры станка выполнены конусы базирования чашек, необходимые для установки ЭИ.
Основные элементы струйного золотника, применяемого для управления движениями гидроцилиндра шпинделя, представлены на рисунке 3.4. Принцип действия струйных золотников заключается в попеременном перекрытии клапаном коромысла (позиция 2) сопел слива масла (позиции 4, 5) из полостей гидроцилиндра. После прохождения сигнала с блока управления на отвод или подвод шпинделя станка происходит колебание коромысла золотника за счет увеличения или ослабления магнитного поля электромагнита (позиция 6). Для противодействия магнитному полю с обратной стороны коромысла установлена пружина (позиция 7) с регулируемой степени жесткости. При совершении колебательного движения коромысло перекрывает одно из сопел, открывая при этом слив из другого сопла. Таким образом, происходит слив масла из полости соединенной с открытым соплом и начинается движение шпинделя в сторону данной полости. Движение в противоположную сторону осуществляется аналогично.
Элементы технологической системы для реализации круговой электрохимической обработки детали представителя
Общий принцип организации системы заключается в создании отдельного бакового помещения, в котором установлены устройства хранения, подачи, очистки и стабилизации параметров электролита, предназначенные для обслуживания целого участка электрохимической обработки.
Плюсы подобной организации системы: 1. Возможность использования эффективных, но крупногабаритных средств очистки электролита (пресс-фильтры, центрифуги); 2. Экономия площадей, занимаемых оборудованием при организации крупных специализированных участков электрохимической обработки; 3. Отсутствие воздействия вредных факторов (шум, продукты испарения электролита) на оператора, непосредственно на рабочем месте; 4. Независимость работы электрохимического оборудования от работы системы (возможность организации запасного контура, использования смежных устройств или инженерных коммуникаций); 5. Концентрация объектов технического обслуживания на ограниченной площади. Недостатки общего принципа организации системы: 1. Большая длина инженерных коммуникаций; 2. Усложнение условий очистки и стабилизации параметров электролита из-за его большего объема; 3. Снижение гибкости производства; 4. Повышение затрат на проектирование и создание участков электрохимической обработки.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что индивидуальную систему подачи, очистки и стабилизации параметров электролита целесообразно использовать в условиях мелкосерийного производства деталей, а также в случае установки электрохимических станков на неспециализированные участки. А общая система может быть рекомендована для условий среднесерийного, массового производства, при организации специализированных участков электрохимической обработки.
Большую часть комплекса подачи и поддержания параметров электролита занимают ёмкости, предназначенные для его хранения и разведения. К ним относятся: 1. Баки для хранения электролита; 2. Промежуточные баки для хранения загрязненного и очищенного электролита перед и после очистки; 3. Баки корректировки и разведения электролита. В резервуаре для хранения электролита могут размещаться датчики температуры, показателя кислотности рН, дополнительные баки с компонентом (или концентрированным раствором) для корректировки концентрации электролита.
Дальнейшее построение комплекса подачи и поддержания параметров электролита требует расчета элементов системы подачи электролита. К системе подачи электролита относятся трубопроводы, соединяющие элементы хранения рабочей жидкости и электрохимические станки, а также насосы. В литературе достаточно полно описаны методики расчета данной системы и ее отдельных элементов [74].
Рассмотренные выше системы хранения и подачи электролита, образуют основную часть электролитного комплекса и в принципе позволяют вести обработку лопаток методом ЭХО, однако, необходимость поддержания параметров электролита в заданных технологией пределах требует расчета и проектирования систем очистки и стабилизации параметров электролита. Основной функцией системы очистки электролита является удаление шлама -продуктов растворения анода (заготовки) и продуктов распада электролита в процессе электролиза. Чрезмерное накопление шлама в электролите приводит к нарушению стабильности процесса электрохимической обработки, возникновению коротких замыканий между электродами и заготовкой, что приводит к нарушению геометрии рабочей части инструмента и остановке процесса.
Из эмпирических данных известно, что процесс электрохимической обработки протекает стабильно при зашламленности электролита в пересчете на обрабатываемый материал не более 8-16 г/л, [75]. Таким образом, своевременная и эффективная очистка электролита от шлама позволяет повысить производительность и стабильность электрохимической обработки.
Системы поддержания параметров электролита обеспечивают постоянство его свойств во время эксплуатации, это позволяет получать детали требуемого качества при колебаниях параметров электролита в определенных пределах. Основными параметрами электролита, оказывающими существенное влияние на точность и качество деталей при электрохимической обработке, являются температура и кислотность электролита.
Изменение температуры электролита может происходить в результате прохождения через электролит технологического тока, механический нагрев электролита вследствие его перекачки насосами, а также вследствие прохождения электролита через трубопроводы и направляющие щели в рабочих приспособлениях. Уменьшение или увеличение температуры электролита приводит к увеличению его электропроводности, [4, 7]. Изменение электропроводности в межэлектродном промежутке, в свою очередь, вызывает перераспределение плотностей технологического тока и влияет на точность электрохимического формообразования.
В большинстве случаев (за исключением обработки титановых сплавов и ряда других) увеличении температуры электролита приводит к ухудшению качества обрабатываемой поверхности, а именно увеличению шероховатости, глубины растравливания по границам зерен, происходит изменение выхода по току, [4].
Для стабилизации температуры электролита используются различные по конструкции теплообменники. В качестве хладогента применяется либо техническая вода, либо фреон. Для подогрева электролита используется пар.
При создании систем для подачи, очистки и стабилизации параметров электролита необходимо предусмотреть наличие на участке систем подготовки сжатого воздуха, который используется для решения следующих задач: 1. Обдувка деталей после выполнения операции ЭХО; 2. Удаление водорода, скапливающегося в камере электрохимического станка в результате протекания электролиза; 3. Повышение качества изготавливаемых деталей за счет стабилизации параметров процесса электрохимической обработки путем подачи в межэлектродный зазор газоэлектролитной смеси.
Существует два способа обеспечения сжатым воздухом: использование централизованной заводской системы или использование промышленных компрессоров. Первый способ не всегда позволяет получить стабильное давление. Поэтому для обеспечения участков электрохимической обработки лопаток ГТД сжатым воздухом целесообразно использовать промышленные компрессоры.
Повышение качества деталей изготавливаемых с использованием электрохимической обработки при перемешивании электролита и сжатого воздуха происходит за счет исключения таких дефектов как «струйность» поверхности, а также повышения избирательности процесса, [75].
Смешивание электролита и воздуха происходит за счет использования специальных устройств – «смесителей», в конструкцию которых входят клапан регулятор, контрольные манометры, компрессор с ресивером и пусковым устройством (или централизованная система снабжения сжатым воздухом), обратный клапан, препятствующий проникновению электролита в воздушную магистраль и др.
Оценка точности формообразования при круговой электрохимической обработке в зависимости от основных параметров процесса
При внедрении технологического процесса электрохимической обработки, в том числе и круговой, основной задачей является определение необходимого соотношения точности и качества обрабатываемой поверхности с производительностью обработки. В общем виде качество обработанных поверхностей зависит от сочетания определенных значений таких параметров, как состав электролита, его температура, скорость прокачки электролита через МЭЗ и плотность электрического тока [76].
Предварительное определение параметров процесса при этом может существенно сократить время проведения опытных работ, а, следовательно, и сократить время внедрения операции. Особенно актуально решение такой задачи для круговой электрохимической обработки, так как усложнение конструкции ЭИ при реализации круговой ЭХО неизбежно приведет к увеличению длительности наладочных работ, при возможном выходе из строя ЭИ при проведении работ по подбору режимов обработки [77].
В качестве оптимального варианта для прогнозирования выходных параметров процесса, таких как шероховатость, точность и производительность, могут быть использованы математические зависимости, полученные в ходе проведения экспериментальных работ.
Первоначальным этапом построения любой математической модели является планирование эксперимента. Данная задача формулируется математически следующим образом [78, 79]: нужно получить некоторое представление о поверхности отклика факторов, которую в общем случае можно аналитически представить в виде функции или математической модели где y – параметр оптимизации (выход процесса), подлежащий изучению; хi – переменные факторы, от которых зависит отклик и которые можно варьировать при постановке эксперимента.
Оценка влияния основных (регулируемых) параметров процесса ЭХО на величину средней высоты микронеровностей профиля, точности и производительности обработки может быть выполнена по регрессионным зависимостям, представленным далее. В общем виде регрессионные зависимости будут иметь следующий вид: высота микронеровностей поверхности, мкм; П – производительность обработки, мм/мин; Е – величина разброса результатов, мм; – величина среднего отклонения по сечениям, мм; U – напряжение (среднедействующее), В; P – разница давлений электролита и воздуха на входе в смеситель, кПа; – величина межэлектродного зазора, мм; – температура электролита, С; С1, a1, b1, c1, d1, С2, a2, b2, c2, d2, С3, a3, b3, c3, d3, С4, a4, b4, c4, d4 – коэффициенты, получаемые экспериментально.
При этом базовые значения исследуемых факторов составляли: Р0 = 100 кПа; 0 = 20 С; 0 = 0,1 мм; U0 =10 В.
Выбор переменных факторов обусловлен их существенным влиянием на процесс размерной электрохимической обработки. Варьирование факторов и поддержание на заданном уровне не требует длительной переналадки оборудования.
При проведении экспериментов и построении математической зависимости появляется необходимость определения интервала варьирования факторов. Каждый фактор, участвующий в процессе, имеет определенные пределы изменения своей величины, внутри которых он может принимать ряд дискретных значений, совокупность которых образует область определения данного фактора [78]. Планирование эксперимента с использованием всей области определения для каждого из выбранных переменных факторов не имеет смысла, так как за время использования электрохимической технологии для обработки профиля пера лопаток ГТД удалось выделить для каждого параметра некоторую локальную подобласть. Варьирование переменных факторов, в которой не приведет к аварийным ситуациям и окончательной выбраковке лопаток на данной операции, однако позволит оценить их влияние на среднюю высоту микронеровностей поверхности профиля пера. Варьируемые параметры и интервалы варьирования представлены в таблице 4.1.
Экспериментальные исследования были проведены на рабочих лопатках изделия SaM-146, на станке мод. ЭХЛ-100, предназначенном для круговой электрохимической обработки. Станок совмещен с импульсным тиристорным источником технологического тока и системой приготовления и подачи газоэлектролитной смеси. Импульс напряжения, выдаваемый источником – гребенчатый с крутым передним фронтом, частота следования импульсов – 100 Гц.
В настоящее время в качестве электролитов для электрохимической обработки профиля пера лопаток равноценно используются водные растворы калиевой селитры и поваренной соли (Н20 + KN03 + NaCl), а также натриевой селитры и поваренной соли (Н20 + NaN03 + NaCl). Для проведения экспериментальных работ был использован электролит следующего состава: (7,5…8,5%) KN03 + (8…9%) NaCl + (82,5…84,5%) Н20.
В ходе проведения экспериментов были обработаны рабочие лопатки в количестве 48 шт. на 16 режимах с повторением обработки на одном режиме 3 раза с заполнением соответствующих протоколов и фиксацией номера лопатки и соответствующего режима обработки. Замеры шероховатости профиля пера лопаток производились по схеме, представленной на рисунке 4.1.
Для более точной фиксации температуры электролита и контроля показаний термометра в камере станка в рабочем баке дополнительно был установлен ртутный термометр.
3. на смеситель станка, помимо одного уже имеющегося манометра, показывающего давление газоэлектролитной смеси на входе в камеру установлены два дополнительных манометра: один в месте подвода сжатого воздуха, второй в месте подвода электролита. Использование данной схемы установки манометров позволяет точно определять изменение давления сжатого воздуха в смесителе станка. Внешний вид смесителя станка с манометрами представлен на рисунке 4.4.
4. Фиксация соответствия вольтамперных характеристик требуемым значениям производилась по приборам расположенным на передней панели источника питания. Контроль данных показаний осуществлялся с помощью осциллографа, подключенного к токоподводу лопатки (+) и токоподводу электродов (–).
Полученные в ходе проведения экспериментальных работ были обработаны в среде Mathcad 14, в результате получены математические модели описывающие зависимость высоты микронеровностей, точности (погрешности) и производительности обработки от переменных параметров процесса ЭХО.
Разработка математической модели и определение зависимости высоты микронеровностей от основных параметров процесса круговой ЭХО
Анализ существующих и успешно применяемых на ОАО «НПО Сатурн» технологий ЭХО профиля пера титановых лопаток, показал, что при обработке лопаток в пределах одной партии средняя высота микронеровностей профиля Ra может колебаться от 0,8 мкм до 1,8 мкм при максимальной средней высоте микронеровностей по чертежу 1 мкм. Уменьшение средней высоты микронеровностей при этом возможно. Для этого необходима стабилизация параметров процесса ЭХО, однако для определения пределов стабилизации требуется проведение экспериментов, так как затраты на совершенствование систем обеспечения участка и станков ЭХО могут быть не соизмеримы со стоимостью доработки лопаток с средней высотой микронеровностей до 1,8 мкм методом виброполировки или вручную. Таким образом, построение математической зависимости средней высоты микронеровностей профиля Ra позволит определить требуемые пределы стабилизации параметров ЭХО профиля пера лопаток, а также осуществлять расчет режимов обработки.
