Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение ЭХО при изготовлении лопаток компрессоров ГТД. Обзор теоретических и экпериментальных исследований. Цель и задачи работы 6
1.1 Характеристики лопаток компрессора современных и перспективных ГТД. Обоснование выбора способа обработки проточных поверхностей лопаток 6
1.2 Электрохимическая размерная обработка с применением импульсного тока 11
1.3. Обрабатываемость электрохимическим способом сплавов, применяемых для изготовления лопаток компрессора 29
1.4. Изготовление электродов - инструментов для ЭХО лопаток ГТД...31
1.5. Оборудование для ЭХО проточных поверхностей лопаток ГТД 32
1.6. Выводы по состоянию вопроса. Цель и задачи работы 35
Глава 2. Общая методика проведения исследований и оборудование 38
2.1 Методика проведения теоретических и экспериментальных исследований 38
2.2 Экспериментальные установки, режимы ЭХО, исследуемые материалы 40
2.3 Контрольно- измерительные приборы и способы измерения 41
2.4 Методика обработки результатов экспериментов 43
Глава 3. Разработка электрохимической установки для формообразования проточных поверхностей мало габаритных высокоточных лопаток компрессора ГТД с компьютерной системой управления 45
3.1 Электрохимический станок .* 46
3.2 Источник технологического тока 52
3.3 Система подготовки и подачи электролита 56
3.4 Компьютерная система управления станком 59
3.4.1 Назначение КСУ 59
3.4.2 Структура КСУ 66
3.4.3. Описание программы управления станком ЭХВИС 5000-Ф2
Интерфейс с пользователем 68
3.5 Исследование характеристик станка 80
3.5.1. Исследование источника технологического тока 80
3.5.2. Снятие вибрационных характеристик гидроприводов 82
3.5.3. Определение зависимости скорости потока электролита от давления и межэлектродного зазора 83
Глава 4. Компьютерная технология изготовления электродов-инструментов для ЭХО проточной части высокоточных малогабаритных лопаток компрессора ГТД 84
4.1 Общая структура технологии 84
4.2 Разработка электронной модели лопатки 87
4.3 Разработка заготовки под ЭХО 88
4.4 Построение электронной модели ЭИ 90
4.5 Компьютерное моделирование процесса ЭХО 95
4.6 Исследования и моделирование ЭХО кромок пера лопаток 103
Глава 5. Разработка и внедрение оборудования и технологии изготовления малогабаритных лопаток компрессора ГТД нового поколения 109
5.1 Анализ и выбор способа формообразования проточной части лопаток 109
5.2 Выбор заготовок лопаток для финишного формообразования методом ЭХО 112
5.2.1 Способы базирования заготовок лопаток при ЭХО 112
5.2.2 Обеспечение точности ЭХО лопатки в зависимости от вида заготовки и технологических припусков 118
5.2.3 Себестоимость заготовки 120
5.3 Оборудование и оснастка 123
5.4 Выбор режимов ЭХО 124
5.5 Контроль геометрии профиля пера 130
5.6 Организация участка и внедрение ЭХО малогабаритных высокоточных лопаток компрессора ГТД 133
Выводы 135
Литература
- Обрабатываемость электрохимическим способом сплавов, применяемых для изготовления лопаток компрессора
- Экспериментальные установки, режимы ЭХО, исследуемые материалы
- Компьютерная система управления станком
- Построение электронной модели ЭИ
Введение к работе
Газотурбинные двигатели 4 и 5-го поколений предъявляют к лопаткам компрессора новые повышенные требования. Лопатки отличаются не-большими габаритными размерами, особенно у КВД, тонкостенностью, сложностью формы, высокой геометрической точностью и высоким качеством поверхности. Серийное производство таких лопаток требует новых технологий, оборудования, измерительной техники. Дело осложняется еще тем, что тонкостенность и высокая точность пера лопаток компрессора практически исключает возможности применения механических методов обработки. Поэтому в настоящее время единственным способом, позволяющим обеспечить формообразование проточных поверхностей выше указанных лопаток является электрохимическая размерная обработка. Однако отсутствие соответствующего специального электрохимического оборудования, значительная трудоёмкость изготовления электродов-инструментов (ЭИ), нерешенность многих технологических вопросов, связанных с выбором оптимальных заготовок лопаток, средств измерений, сдерживает решение указанных актуальных проблем.
В диссертации проводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке технологического процесса ЭХО проточных поверхностей малогабаритных высокоточных лопаток ком прессора ГТД с применением компьютерных технологий. Создана специальная электрохимическая установка для ЭХО проточных поверхностей малогабаритных лопаток с компьютерной системой управления, позволяющей реализовать различные схемы ЭХО, управлять режимом ЭХО с целью обеспечения заданных требований по точности, производительности и качеству поверхности.
Разработана методика компьютерного проектирования ЭИ для ЭХО проточных поверхностей лопаток, включающая компьютерное моделиро вание заданной поверхности лопаток, предварительной поверхности ЭИ, виртуального процесса ЭХО, обработанной поверхности, процесса проектирования ЭИ. Компьютерная модель окончательного ЭИ трансформирована в программу высокоточного фрезерного станка с КЧПУ для его изготовления.
Разработан технологический процесс окончательной ЭХО проточных поверхностей малогабаритных лопаток компрессора ГТД повышенной точности. Предложены экономически эффективные виды заготовок лопаток.
Электрохимическая установка, методика изготовления ЭИ, технологический процесс внедрены в серийном производстве моторостроительных заводов.
Работа выполнялась в открытом акционерном обществе «Казанское моторостроительное производственное объединение» (ОАО КМПО) и в Казанском государственно-техническом университете им. А.Н. Туполева (КАИ) на кафедре технической физики.
Автор выражает благодарность коллегам из ОАО КМПО и сотрудникам кафедры технической физики КГТУ(КАИ) оказавшим помощь в работе.
Обрабатываемость электрохимическим способом сплавов, применяемых для изготовления лопаток компрессора
Ранее отмечалось, что для изготовления лопаток компрессоров ГТД при ч меняются никелевые и титановые сплавы ЭП718ИД, ЭП718ПД, ЭИ961, ВТ6, ВТ8, ВТ9 и др.
Комплексные исследования обрабатываемости этих материалов электрохимическим способом проведены в Самарском государственном аэрокосмическом университете и НЛП «Труд» В.А. Шманевым, Н.Д. Проничевым, Г.В. Смирновым, О.А. Сениной, М.В. Деминым и др. [66-69, 90-94].
Так как производством ставится задача окончательной обработки пера-малогабаритных лопаток компрессора, то более актуальными становятся вопросы точности электрохимического формообразования и качества обработанной поверхности.
Отмечается сложный фазовый состав типа ЭП718. Установлено, что микронеровности поверхности при ЭХО этого сплава формируются за счет выступающих карбидов и боридов по границам зерен и на самом зерне. В процессе анодного растворения проявляется также избирательность травления различных фаз, границ зерен. Отмечается сложность выбора метода измерения шероховатости поверхности после ЭХО. Применялся метод снятия профилограмм, совмещенный с анализом фотографий микроструктуры.
Исследовалась схема импульсно-циклической ЭХО. В качестве электролитов применялись растворы калиевой и натриевой селитры, хлористого натрия, перхлората натрия.
Доказано отсутствие растравливания по границам зерен сплава ЭП718 после ЭХО во всех указанных электролитах.
Обеспечить шероховатость поверхности в пределах Ra = 0,10...0,16 мкм при ЭХО импульсным током с вибрацией ЭИ удалось при добавлении в электролит поверхностно-активного вещества (ПАВ) - неонола.
Наибольшая степень локализации процесса, а, следовательно, более высокая точность ЭХО достигнута при использовании в качестве электролита водного раствора перхлората натрия с добавкой ПАВ. Этот электролит и был рекомендован для производственного применения.
Однако следует отметить, перхлорат натрия относится к веществам 2-ой категории пожароопасности, что вызывает на производстве дополнительные трудности.
При исследовании ЭХО указанных титановых сплавов лучшие технологические показатели процесса получены при использовании в качестве электролитов хлорид-натриевых смесей. После вибро-ЭХО на импульсном токе образцов из ВТ9 остаточные напряжения в поверхностном слое близки к нулю. Применение хлорид-нитратного электролита обеспечивает меньшую шероховатость поверхности, меньшее наводораживание поверхности. При этом увеличение концентрации электролита до 20-25% заметно уменьшает шероховатость (до Ra 0,08...0,09 мкм) и наводораживание (до 0,07%) поверхности. В качестве оптимального электролита для ЭХО сплава ВТ9 рекомендован смешанный хлорид-нитратный водный раствор 14% NaCl +11% NH4NO3 при 27-29С.
При импульсной ЭХО с увеличением плотности тока возрастает скорость общего газовыделения, основную массу которого составляет азот. Скорость выделения водорода уменьшается до нуля. Это явление авторы объясняют тем, что при высоких плотностях тока реакция выделения водорода подавляется реакцией восстановления нитрат-иона. Поэтому применение хлорид-нитратных электролитов указанного состава позволяет значительно снизить наводораживание поверхности.
Применение смешанных хлорид-нитратных электролитов при ЭХО жаропрочных никелевых и титановых сплавов рекомендовано также в работах [95, 96].
Шероховатость поверхности сплава ЖС6КП после ЭХО в электролите с соотношением концентраций СГ и NO3" - 1:2 примерно в 3 раза ниже, чем в нитратном электролите и без растравливаний границ зерен. В этом электролите точность формообразования и скорость съема выше, чем в хлоридньгх растворах.
Для ЭХО титановых сплавов ВТ1, ВТ8, ВТ9 и др. рекомендован электролит 100 г/л NaCl + 100 г/л NaN03, обеспечивающий повышенную точность, производительность процесса и меньшую шероховатость поверхности.
Результаты экспериментальных исследований обрабатываемости сплавов ЭП718, ВТ6, ВТ8 при ЭХО на постоянном и импульсном токах Bl9%NaN03, 10% NaCl, 5% NaN03 + 5% NaCl приведены в работах [97-99].
При ЭХО титановых сплавов ВТ6, ВТ8 импульсным током электролит 5% NaN03 + 5% NaCl + Н20 обеспечивает наименьшую шероховатость по-верхности и наибольшую степень локализации процесса, а, следовательно, и наибольшую точность ЭХО. Однако при этом наблюдается меньшая производительность.
С целью обеспечения повышенной точности формообразования при ЭХО сплава ЭП718 рекомендовано применять 10-20%-ный NaN03. Меньшая шероховатость поверхности достигается в 10%-ном NaCl.
При ЭХО сплава ЭП718 на постоянном токе съем металла в 10%-ном NaC104 равен примерно съему в 5-10%-ном NaN03 с введением воздуха.
Экспериментальные установки, режимы ЭХО, исследуемые материалы
Результаты измерений различных параметров процесса ЭХО при проведении исследований обрабатывались по методикам прямых и косвенных измерений [107,108].
Результат прямого измерения физической величины х записывали в виде: JC — Хер і z_i.v; р — ...э /7 — где Хер .— номинальное значение результата, определяемое как среднее арифметическое значение П измерений; Ах — полуширина доверительного интервала; р — доверительная вероятность нахождения истинного значения величины в доверительном интервале, принималось р = 0,95; число измерений составляло не менее трех. Номинальное значение параметра Хер вычислялось как 1 v х ср — 2 1 х І п п Полуширина доверительного интервала: Ах = л/ 92 +є2, где в - систематическая погрешность измерения, вычисляемая по классу точности прибора или принимаемая равной цене наименьшего деления измерительного средства; - случайная погрешность измерения. Случайная погрешность tpn Sx = /77 где tpn - коэффициент Стьюдента, прир = 0,95 и п = 3 tpn = 4,3, при/?= 0,95 и« = 5 tpn = 2,8. Среднее квадратичное отклонение ХЇ от Хер при П 30 Y, (Х/ - Хер) Sx= п- . п-\ В ряде случаев вычислялась относительная погрешность измерения Ах St = — юо%. Хер При определении некоторых параметров, например, величины съема металла, применялся метод косвенных измерений. В этом случае в первую очередь определялось номинальное значение искомого параметра у по формуле связи через средние значения исходных величин Уср = J yXlcp, Х2ср,..., Хпср). Далее вычислялись относительная погрешность уср „ f дхі полуширина доверительного интервала Ау = уср ду. и результат измерения записывался в виде у = уср ±Ау, р = 0,95, я = ... Для построения графиков и выполнения расчетов использовались номинальные значения Хер, уср.
Как отмечалось в первой главе главной проблемой при внедрении ЭХО проточных поверхностей малогабаритных высокоточных лопаток компрессора ГТД является создание специальной электрохимической установки, отвечающей современным требованиям к процессу ЭХО и соответствующей международному уровню станкостроения.
С этой целью была разработана электрохимическая установка ЭХВИС-5000Ф2 с компьютерной системой управления, фотография и схема которой приведены нарис. 3.1.а, б [109, ПО].
При создании установки в основу были заложены следующие концепции: возможность реализации разных схем импульсно-циклическои и непрерывной ЭХО, компьютерное управление режимами и снимаемыми припусками в процессе формообразования, обеспечение повышенной точности и надежности базирования и позиционирования заготовок, стабилизация параметров электролита и рабочего тока.
Установка содержит следующие составные части (рис.3.1,6): электрохимический станок 1; источник технологического тока 2; систему хранения, подачи и очистки электролита 3; компьютерную систему управления 4.
Станок ЭХВИС-5000-Ф2 имеет следующие технические характеристики: 1. Занимаемая площадь 4x5 м" 2. Размеры обрабатываемых лопаток I до 100 мм, b до 50 мм. 3. Перемещение рабочих электродов по двум координатам двумя управляемыми гидроприводами под углом к продольной оси лопатки 54...90. 4. Частота вибрации гидропривода 0...25 Гц, амплитуда 0,01... 1мм. 5. Точность «ощупывания» 0,005 мм. 6. Время между «ощупываниями» 1 ....50 с.
Компьютерная система управления станком
Компьютерная система управления станком ЭХВИС-5000-Ф2 предназначена для реализации процесса ЭХО проточной части малогабаритных высокоточных лопаток компрессора импульсно-циклическим способом. Система управления выполняет следующие функции:
1. Реализует двустороннюю обработку лопаток по импульсно-циклической схеме с применением двух ЭИ по схемам с V =0, V = const, V=var (по программе).
2. С целью достижения требуемой точности и производительности контролирует и управляет параметрами режима ЭХО: напряжением, длительностью импульсов напряжения и пауз, скоростью перемещения ЭИ в цикле, амплитудой и частотой вибрации ЭИ, значениями рабочего и промывочного межэлектродных зазоров, температурой электролита.
3. Контролирует и управляет значениями снимаемых припусков с обеих сторон пера лопатки с фиксацией окончания обработки. Обработка ведется относительно координат эталонной лопатки, хранящихся в КСУ.
4. Отображает на экране дисплея параметры режимов ЭХО и сопутствующую информацию.
Циклограмма импульсно-циклического способа ЭХО приведена на рис.3.11. Каждый цикл начинается с «ощупывания» поверхности заготовки путем подвода ЭИ до касания с ней (момент времени 1). Затем электрод-инструмент отводится на начальный рабочий зазор Lr, значение которого регулируется с помощью КСУ. После установки Lr (момент 2) включается источник технологического электрического тока на время ts и происходит анодное растворение заготовки с удалением припуска Z при неподвижном или перемещающимся с V = const, V = var ЭИ. Скорость V подачи ЭИ в цикле с помощью КСУ может изменяться по заданной программе. По окончании ts (момент времени 3) ЭИ отводится на промывочный МЭЗ Sn для более эффективного удаления продуктов электролиза из межэлектродного промежутка. Далее цикл повторяется до снятия всего припуска Z.
Процесс ЭХО лопатки, обычно, состоит из нескольких кадров-наборов параметров режима. Каждый кадр сохраняется до выполнения некоторого условия в процессе ЭХО. При выполнении этого условия КСУ осуществляет,переход к следующему кадру и так до окончания обработки. Список параметров режима входящих в кадр, приведен в таблице 3.1.
Обработка заготовки и снятие припуска ведется относительно координат эталонной лопатки, запоминаемых компьютером при предварительном ощупывании эталонной лопатки. Координаты эталонной лопатки периодически проверяются и могут редактироваться с помощью меню «Параметры эталона». Обозначение поправки для левого электрода — «Р1», а для правого - «Р2».
Положительное значение поправки означает смещение координаты эталона в сторону уменьшения его размеров (утончение), а отрицательное - смещение координаты эталона в сторону увеличения его размеров (утолщение), то есть расчет припуска при обработке производится по формуле : Z=K3T + Р - Кд, где Z- припуск, Кэт - координата эталона, Р - поправка, Кд — координата обрабатываемой детали.
КСУ предусматривает возможность работы одним электродом поочередно, двумя одновременно на одном или разных межэлектродных зазорах для лучшего выравнивания неравномерности снимаемого припуска заготовки.
Если в кадре программы задана обработка с автоматическим выбором работающих приводов электродов (Rp=«ABTOMAT»), то вычисляется разница припусков детали и сравнивается с параметром Ls, выбирается нужный режим обработки. Если фактическая разница припусков больше параметра Ls, станок автоматически перейдет на одностороннюю обработку со стороны большего припуска. Если после какого-либо цикла обработки выясниться, что разница припусков детали стала меньше или равна параметру Ls, то программа автоматически перейдет на двухстороннюю обработку детали. Таким образом, автоматически меняя в течение кадра вид обработки детали, программа с максимальной скоростью будет выравнивать припуска обрабатываемой детали.
Построение электронной модели ЭИ
Компьютерная ЭХО моделирует обработку лопатки, реализованную на станке ЭХВИС-5000Ф2 в пошагово-циклическом режиме: автоматическое измерение обрабатываемых поверхностей заготовки, выставление и автоматическое поддержание рабочего межэлектродного зазора в одном шаге, обработка заготовки в течение 5-4-30 секунд, автоматическое измерение обрабатываемой заготовки...и т.д.
Первоначально в программу расчета вводятся исходные данные: координаты расчетных точек лопатки XnQ, к), Yn(j, к), ZnQ, к), величина минимального припуска tmin, величина рабочего зазора amin, угол подачи ЭИ аэи.
Определяется перемещение ЭИ до конца обработки ЕДЬ в проекциях на координаты Y и Z: ZAby = Yjimax - Ynmin + tmin + amin; (4.1) ZAbz = ZAby/tan(CC3u). где Aby, ZAbz — суммарное перемещения ЭИ в проекциях на координаты Yu Z, мм.. Исходя из полученной подачи, определяется начальное положение расчетных точек ЭИ и заготовки: Xou(j, к)о=Хл(і, к); You(j, к)о = Yn(j, к) + ZAby; (4.2) Zou(j, к)о = Zi(j, к) + ZAbz; XiQ, k)o = Щ, к); Уз(/, к)о = Ултах + tmin; (4.3) Z3Q, к)о — ZsuQ, к)о.
Далее определяются величины начальных зазоров для расчетных точек. Так как поверхность исходной заготовки плоская, то первоначальные зазоры равны расстояниям по оси Y от расчетных точек электрода до обрабатываемой поверхности: aQ, к)о = YsuQ, к)о- Y3(j, к)о. (4.4)
На последующих итерациях межэлектродные зазоры определяются по выражению, выведенному по построениям на рис.4.16 и 4.17: где aQ, к)п — углы между нормалью из расчетных точек электрода к поверхности обрабатываемой заготовки и осью Z, в плоскости YZ в n-ом положении, град; yQ, к)п — углы между нормалью из расчетных точек электрода к поверхности обрабатываемой заготовки и осью Y, в плоскости XY в n-ом положении, град. Определяется съем материала за один шаг (за одну итерацию) в расчетных точках расчетно-экспериментальным методом. При этом используются экспериментальные значения скорости съема материала при различных МЭЗ, полученные для определенных материалов и заданных режимов обработки на станке ЭХВИС-5000Ф2 (табл. 4.1 и 4.2). Такой подход по сравнению с чисто аналитическим позволяет более точно учесть особен-ности станка и изменение параметров процесса на обрабатываемой поверхности заготовки. В табл. 4.1 приведены данные для черновых режимов ЭХО, в табл. 4.2 для чистовых. Съем за один шаг определяется по формуле: &aQ,k)„ = V(a) -Аг, (4.6) где AT- шаг расчета по времени, V(a) — скорость обработки, которая определяется как функция от величины межэлектродного зазора. Для определения V(a) при определенном значении aQ, к) выбирается диапазон от т-1 до т, которому принадлежит aQ, к), где рассчитывается значение V(a) исходя из подобия треугольников (рис. 4.14):
В конце каждой итерации проверяется выполнение условия зО" )« — КчО к) — 0, при выполнении которого хотя бы для одной точки расчет ЭХО лопатки прекращается. Далее следует анализ полученных отклонений обработанной заготовки, по результатам которого принимается решение о проведении корректировки рабочей поверхности электрода-инструмента. После проведения корректировки электрода-инструмента расчет ЭХО лопатки повторяется. Цикл расчета ЭХО и корректировки электрода-инструмента продолжается до получения годного профиля обработанной лопатки.
Разработанная методика проектирования и изготовления ЭИ для ЭХО лопаток компрессора ГТД с применением компьютерных технологий успешно прошла производственную проверку. Ее внедрение в 1.5-г2 раза сократило трудоемкость изготовления ЭИ, исключает необходимость изготовления эталонных лопаток и использования электрохимических установок на этапе доводки ЭИ.
Одной из нерешённых до настоящего времени проблем при серийном изготовлении лопаток ГТД является возможность точного формообразования кромок и пера лопаток на операции ЭХО. Малогабаритные, высокоточные лопатки компрессора имеют на кромках радиуса скруглення порядка 0.07-гО.З мм и размеры по хорде с допуском ±0.2ч-0.3мм. Известны несколько попыток решить эту проблему, однако в серийных условиях эти предложения с требуемой надёжностью осуществить пока не удаётся. Сказывается некоторая неопределённость размеров заготовок, нестабильность режимов ЭХО, неумение рационально выбрать схему ЭХО и конструкцию ЭИ. Поэтому имеется необходимость продолжения исследований способов окончательной ЭХО кромок лопаток.
Сделана попытка аналитического решения этой задачи. Рассчитывался съём материала по кромке при определённом съёме по перу и разных формах ЭИ.
Рассматривалась двумерная область в плоскости ХУ, ограниченная сечением кромки лопатки АВСД и сечениями электрода инструмента HG и КЕ
