Разработка высокоскоростного метода электроэрозионной обработки отверстий малого диаметра с регулированием режимов по массовыносу тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Владыкин, Алексей Валерьевич

• Владыкин, Алексей Валерьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Владыкин, Алексей Валерьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 состояние вопроса, цель и задачи работы

1.1 Конструкторские и технологические требования к деталям теплонагружен-ных лопаточных машин

1.2 Анализ существующих методов обработки отверстий малых диаметров в труднообрабатываемых сплавах

1.3 Анализ опыта предприятий и литературы по обработки отверстий малых диаметров

1.4 Выводы по главе 1

1.5 Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ ЗА СЧЁТ РЕГУЛИРОВАНИЯ МАССОВЫНО-СОМ

2.1 Гипотеза обеспечения повышения производительности при электроэрозионном сверлении за счёт регулирования массовыно-

сом

2.2 Критерий, устанавливающий взаимосвязь между интенсивностью образования продуктов эрозии и скоростью массовыноса

2.3 Установление регулируемых технологических параметров влияющих на интенсификацию процесса электроэрозионного сверления

2.4 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО СВЕРЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЙ МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ

3.1 Материально-техническое обеспечение экспериментального исследования

3.2 Методика проведения предварительных опытов и определение наиболее значимых факторов процесса

3.3 Методика разработки математических моделей процесса электроэрозионного сверления

3.4 Методика оптимизации параметров процесса электроэрозионного сверления

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО СВЕРЛЕНИЯ ПРИ ОПТИМАЛЬНОМ МАССОВЫНОСЕ

4.1 Результаты исследования характера влияния параметра скорости вращения электрода-инструмента и давления прокачки жидкой рабочей среды на процесс электроэрозионного сверлени

4.2 Результаты предварительных исследований

4.3 Результаты исследований с использованием методом планирования эксперимента

4.4 Определение уравнений регрессии для вывода математических моделей

4.5 Разработка математических моделей для определения производительности, износа электрода-инструмента и величины изменённого слоя

4.6 Выводы по главе 4

ГЛАВА 5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО СВЕРЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЙ МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ

5.1 Анализ зависимостей математических моделей

5.3 Определение целевой функции

5.4 Алгоритм расчёта оптимальных значений параметров процесса электроэрозионной обработки

5.5 Программное обеспечение назначения оптимальных параметров режима электроэрозионной обработки

ГЛАВА 6 РЕЗУЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

6.1 Особенности технологического процесса электроэрозионной обработки отверстий малых диаметров в деталях теплонагруженных лопаточных ма-

шин

6.2 Технико-экономический эффект внедрения результатов исследований

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка высокоскоростного метода электроэрозионной обработки отверстий малого диаметра с регулированием режимов по массовыносу»

ВВЕДЕНИЕ

Постоянное совершенствование современных теплонагруженных лопаточных машин (TJIM) для транспортных и стационарных установок направлено на повышение качества изготовления, ресурса и эксплуатационной надёжности, сокращения затрат на производство. Одним из эффективных методов повышения эксплуатационных характеристик TJIM является значительное повышение температуры газа перед турбиной. Но увеличение температуры, которая может достигать значений до 2200 К, приводит к снижению ресурса деталей и изделия в целом. Применение же новых более жаропрочных сплавов и теплозащитных покрытий не всегда позволяет устанавливать требуемую высокую температуру. В связи с этим актуализируется значение эффективности охлаждения деталей TJIM, работающих в высокотемпературном поле. К таким деталям относятся сопловые и рабочие лопатки турбины, жаровые трубы, газосборники лопаточных машин и т.п. Эффективность работы этих деталей во многом определяется эффективностью охлаждения их холодным воздухом, который подается через специально изготовленные отверстия малых диаметров от 0,45 мм до 1,8 мм, расположенных под прямыми и острыми углами (от 10° до 90°) к охлаждаемым поверхностям и с соотношением глубины отверстий к диаметру от 5 до 20. В качестве материалов для этих деталей применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе типа ЖС6ВИ, ЖС26, ЖС32, ЧС70-ВИ и др., которые трудно поддаются обработке лезвийным режущим инструментом. Поэтому основным наиболее распространённым способом обработки таких отверстий является электроэрозионный метод прошивки стержневыми электродами-инструментами (ЭИ). В связи с большой номенклатурой деталей и множеством различно расположенных отверстий трудоёмкость обработки таких отверстий весьма велика. Например, при обработке более 110 000 отверстий малых диаметров в 150 деталях авиационной лопаточной машины общая трудоёмкость составляет более 3 000 нормочасов. Большая трудоёмкость, кроме того, вызвана и повышенными требованиями к обеспечению качества обработки отверстий, среди которых отклонение размера по диаметру не более 0,05-=-0,1 мм; шероховатость поверхности Ra<3,2 мкм; глубина изменённого слоя (без микротрещин) допускается не более 20 мкм.

Применяемая в настоящее время технология электроэрозионной обработки (ЭЭО) отверстий малых диаметров стержневыми неподвижно установленными ЭИ по производительности и качеству не удовлетворяет растущим требованиям производства лопаточных машин. В последнее время для обработки таких отверстий внедрятся более эффективный метод - электроэрозионное сверление (ЭЭС), т.е. электроэрозионная обработка с использованием полого вращающегося ЭИ и прокачкой под давлением диэлектрической рабочей среды через внутреннее отверстие. Опыт показывает, что применяя новый метод ЭЭС с научно-обоснованным управлением динамическими и электрическими параметрами процесса можно, помимо значительного повышения производительно-

5

сти, уменьшить теплонапряжённость процесса, повысить точность отверстий, уменьшить шероховатость обработанной поверхности и глубину изменённого слоя. Однако внедрение нового метода ЭЭС сдерживается из-за отсутствия результатов научных исследований по установлению закономерностей массовы-носа и взаимосвязей между динамическими и электрическими условиями обработки, требуемыми параметрами производительности, стойкости ЭИ и качества обработки. Отсутствуют практические рекомендации по выбору оптимальных режимов обработки, по внедрению нового процесса на деталях ТЛМ из жаропрочных сплавов. Поэтому рассматриваемая тема работы является весьма актуальной.

Работа выполнялась в соответствии государственной программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (постановление Правительства РФ № 568 от 26.07.2008 г.).

Цель работы

Совершенствование процесса ЭЭС отверстий малых диаметров в деталях теплонагруженных лопаточных машин из жаропрочных сплавов путём интенсификации массовыноса и создания технологического процесса с управляемой очисткой межэлектродных каналов и оптимизацией электрических параметров.

Задачи исследования

1. Раскрытие физической природы и механизма повышения производительности ЭЭС отверстий путём управления массовыносом на основе математического моделирования движения жидкости рабочей среды и исследования термодинамики электроэрозионного взаимодействия с материалом из жаропрочного сплава вращающегося ЭИ с внутренней прокачкой рабочей среды под высоким давлением, обеспечивающем более эффективную очистку межэлектродного промежутка от продуктов эрозии.

2. Расчёт и установление оптимальных значений скорости вращения ЭИ, давления прокачки жидкости, обеспечивающих эффективную очистку межэлектродного промежутка от продуктов эрозии.

3. На основе многофакторного планирования экспериментов разработка эмпирической математической модели, устанавливающей взаимосвязи электрических и динамических параметров процесса ЭЭС, при массовыносе продуктов обработки для выбора оптимальных режимов обработки и управления процессом с целью повышения производительности, улучшения качества и снижения износа ЭИ в процессе технологической подготовки производства.

4. Разработка технологических рекомендаций для проектирования процесса ЭЭС при обработке отверстий малых диаметров в различных деталях ТЛМ из жаропрочных сплавов.

Методы исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории электрических методов обработки, технологии машиностроения, термодинамики и гидравлики. Для математической обработки экспериментальных данных и проверки адекватности математических моделей использовались методы регрессионного анализа и математической статистики. Моделирование, обработка и анализ результатов исследований проводились с

использованием вычислительной техники и лицензионных программных пакетов ANSYS, Excel и др.

Экспериментальные исследования проводились с использованием современных методик, аттестованных приборов и аппаратуры, с применением методов многофакторного планирования экспериментов в лабораторных и производственных условиях.

Научная проблема - создать теорию массовыноса продуктов обработки, позволяющую интенсифицировать прошивку отверстий малого диаметра на большую глубину.

Научная новизна работы

1. Установлена физическая природа и механизм повышения производительности процесса ЭЭС за счёт управления массовыносом продуктов обработки вращающимся полым ЭИ с одновременной прокачкой через внутренний канал рабочей жидкости под высоким давлением.

2. Теоретически и экспериментально установлены оптимальные значения величин давления для прокачки рабочей среды и скорости вращения ЭИ для различных диаметров отверстий, обеспечивающие требуемое удаление продуктов обработки и повышение скорости прошивки отверстий до 15-20 раз по сравнению с известными методами ЭЭО при снижении глубины изменённого слоя не менее чем в 1,5 раза.

Практическая значимость

1. На основе многофакторного планирования экспериментов разработаны эмпирические математические модели, определяющие интенсификацию процесса массовыноса с учётом электрических и динамических параметров процесса электроэрозионного сверления, для ускоренного выбора оптимальных режимов обработки и управления ими с целью повышения производительности, улучшения качества и снижения износа ЭИ.

2. С использованием математических моделей разработан алгоритм и составлена компьютерная программа, позволяющая ускоренным методом назначать оптимальные режимы и обеспечивать интенсификацию процесса ЭЭС отверстий малых диаметров в деталях TJIM из жаропрочных сплавов в процессе технологической подготовки производства.

3. Определены оптимальные режимы ЭЭС и разработан технологический процесс обработки отверстий малых диаметров в жаропрочных сплавах, в том числе обоснован расчёт давления прокачки рабочей среды и скорости вращения ЭИ, обеспечивающих интенсивный вынос продуктов обработки и увеличение скорости прошивки отверстий малого диаметра, что позволяет существенно повысить производительность, улучшить качество обработки и увеличить стойкость ЭИ.

4. Данные рекомендации внедрены в производство при изготовлении большой номенклатуры деталей на ОАО «Пермский моторный завод». При этом значительно сократилась трудоёмкость обработки, а глубина изменённого поверхностного слоя перфорированных отверстий снизилась в 1,5 раза. Вне-

дрение новой технологии позволило получить годовой экономический эффект более двух миллионов рублей.

Достоверность и обоснованность научных результатов

Подтверждается сходимостью экспериментальных и производственных данных с результатами теоретических исследований и моделирования процесса ЭЭС, а также практической реализацией результатов исследований на производстве.

Результаты исследований внедрены в трёх механических цехах ОАО «Пермский моторный завод» при обработке охлаждающих отверстий в более чем 30 наименований деталей: рабочих и сопловых лопатках турбины высокого давления, газосборниках, жаровых трубах из жаропрочных сплавов на никелевой основе.

Материалы исследований используются в учебном процессе в ПНИПУ по дисциплине «Технология машиностроения».

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях различного уровня: 1У-Й ежегодной Всероссийской научно-техническая конференции молодых специалистов (Уфа 2008); Международном молодёжном форуме «Будущее авиации за молодой Россией» - международный салон «Двигатели-2010», (Москва 2010); Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», (Севастополь 2010, 2013); «I международной научно-практической конференции «Молодые учёные прикамья - 2011», (Пермь 2011); Всероссийской научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии в машиностроении», (Башкортостан 2012); Международных молодёжных научно-технических чтениях им. А.Ф. Можайского, (Алушта 2013).

Работа экспонировалась на выставках авиационной тематики и металлообрабатывающего оборудования и отмечена дипломами на XI международном салоне «Двигатели-2010» в Москве в 2010 г.; на выставке «Станки. Приборы. Инструмент» в Перми в 2011, 2012 и 2013г.г.

В полном объёме работа заслушивалась, обсуждалась и рекомендована к защите на заседаниях: кафедры ИТМ ПНИИПУ (г. Пермь); кафедры РМСИ РГАТУ (г. Рыбинск); кафедры ТМС ВГТУ (г. Воронеж).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения. Текст диссертации изложен на 130 страницах,

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1Конструкторские и технологические требования к деталям теплонагру-

женных лопаточных машин

Современные теплонагруженные лопаточные машины (ТЛМ) это высокотехнологические агрегаты для создания которых применяются самые передовые разработки научно-технического прогресса.

Одним из разновидностей теплонагруженных лопаточных машин является отечественный авиационный двигатель ПС-90А, двигатель с характеристиками мирового уровня. Модернизация существующего парка воздушных судов, поступление в эксплуатацию таких самолетов, как Ил-96-300, Ту-204 и их модификаций, способствуют тому, что в настоящее время авиационный двигатель ПС-90А становится базовым в системе перевозок на внутренних и международных авиалиниях. ПС-90А - единственный в своем классе тяг сертифицированный отечественный двигатель, обеспечивающий самолетам, на которые он установлен, соответствие действующим нормам ИКАО по шумам. По уровню вредных выбросов двигатель также удовлетворяет современным и перспективным требованиям ИКАО. Двигатель ПС-90А - унифицированный, турбовентиляторный, двухкон-турный, двухвальный, со смешением потоков наружного и внутреннего контуров, с реверсом в наружном контуре и системой шумоглушения. Расход топлива и масла находится на уровне лучших мировых двигателей. Расход топлива на самолете Ил-96-300 не превышает 7 ООО...8 ООО кг на 1 час летного времени; на самолете Ту-204 не превышает 3 500 кг на 1 час летного времени.

Рисунок 1.1- Авиационный двигатель Г1С-90А и теплонагруженные детали с охлаждаемыми отверстиями малых диаметров

Рассмотрим принцип работы двигателя ПС-90А: атмосферный воздух (рабочее тело) поступает в компрессор через входное устройство. В полете во входном устройстве осуществляется предварительное сжатие воздуха за счет частичного преобразования скоростного напора в потенциальную энергию набегающего потока. Процесс сжатия воздуха продолжается в компрессоре за счет подвода к нему внешней работы. В установленной за компрессором камере сгорания к рабочему телу подводится количество теплоты, которое выделяется в процессе химической реакции окисления впрыскиваемого топлива кислородом воздуха. Далее высокотемпературный поток сжатого газа направляется в турбину, где происходит его частичное расширение. Газ, расширяясь в турбине, отдает часть своей энергии в форме механической работы на вал турбины, которая приводит во вращение компрессор. Процесс окончательного расширения газа завершается в реактивном сопле. Скорость газа на выходе из двигателя значительно превосходит скорость потока воздуха на входе в него. Увеличение количества движения (импульса) потока рабочего тела в турбореактивном двигателе (ТРД) происходит в результате действия на него сил по всему тракту двигателя. Равнодействующая этих сил и представляет собой тяговое усилие, необходимое для осуществления полета самолета.

Рисунок 1.2 - Конструктивная схема ТРД: 1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3

- турбина; 4 - реактивное сопло

Сущность ТРД как тепловой машины заключается в том, что в нем за счет подводимого в камере сгорания количества теплоты имеет место прирост кинетической энергии потока, который и является полезной работой двигателя.

Камера сгорания предназначена для преобразования химической энергии впрыскиваемого топлива в тепловую энергию рабочего тела. Теплота выделяется при протекании химической реакции окисления (горения) впрыскиваемого топлива кислородом воздуха. В результате полная энергия (температура) рабочего тела передаваемая турбиной увеличивается.

Рисунок 1.3 - Принципиальна схема камеры сгорания: 1 - диффузор; 2 - фронтовое устройство;3 - корпус; 4 - жаровая труба; 5 - топливная форсунка; I - зона горения; II- зона смешения

Камера сгорания - один из наиболее теплонапряженных узлов ТРД, совершенство которого определяет высокий уровень экономичности и надежности двигателя в целом. Поэтому камера сгорания должна удовлетворять высокому уровню требований.

Камера сгорания двигателя ПС-90А - комбинированная трубчато-кольцевая, состоит из 12 жаровых труб и кольцевого газосборника. В камере сгорания устанавливается 12 двухконтурных топливных форсунок и две свечи зажигания.

Жаровая труба (рис. 1.4) представляет собой сварную конструкцию, состоящую из секций 10 и гофрированных колец 9, изготовленных холодной штамповкой из листового жаростойкого сплава ЭП648. В передней части жаровая труба имеет головку 4 с приваренной к ней подвеской 2 (13). Сферическая втулка 1 (14) служит для снижения монтажных и термических напряжений. В центральное отверстие головки жаровой трубы установлено фронтовое устройство 5, служащее для подготовки топливовоздушной смеси и распределения ее в первичной зоне жаровой трубы. Фронтовое устройство состоит из осевого 16 и радиального 17 лопаточных завихрителей, из центрального и выходного сопел. Завихрители закручивают поток воздуха, увеличивая интенсивность его турбулентности, обеспечивают лучшее испарение топлива, повышают качество топливовоздушной смеси.

Фронтовое устройство вместе с дефлектором 6 крепятся к головке жаровой трубы заклепками 3. Головка 4 жаровой трубы изготовлена холодной штамповкой. В ее стенке 1 выполнены два ряда отверстий для подачи охлаждающего воздуха. Дефлектор 6 направляет воздух вдоль стенки головки, обеспечивая ее охлаждение.

В выходной части жаровая труба имеет рамку 12, которой она соединяется с газосборником и соседними жаровыми трубами. Для уплотнения с соседними жаровыми трубами рамка имеет с одной стороны шип, с другой стороны паз.

Для осуществления розжига во всех жаровых трубах при запуске двигателя имеются пламяперебрасывающие патрубки 8, к одному из которых приварена соединительная муфта. Для обеспечения в первичной зоне жаровой трубы требуемого соотношения топлива с воздухом служат отверстия 7. Отверстия 11 уменьшают температуру газа, локализуют зону реакции и обеспечивают требуемый профиль поля температур на выходе из камеры сгорания.

л

Температура стенок жаровой трубы достигает значений 900 - 1200 С. Поэтому при высоких температурах работоспособность жаровой трубы обеспечивается с помощью охлаждающей воздушной пленки, образуемой воздухом, проходящим через щели в гофрированных кольцах 9 и отверстия в головке жаровой трубы 15, а также воздухом, который обтекает жаровую трубу снаружи. Помимо этого, для уменьшения газовой коррозии внутренние поверхности жаровых труб покрыты жаростойкой эмалью.

Стенку жаровой трубы выполняют из гофрированных колец (а), либо вытачивают из целой заготовки (б). Первый вариант используются для авиационных двигателей, второй для разработанных на его основе модификаций (ГТЭС - газотурбинная энергостанция, ГПА - газоперекачка, ПАЭС - передвижная автономная энергостанция) из-за большей массы, но меньшей трудоемкости и себестоимости изготовления.

Рисунок 1.5- Жаровая труба

Рассматриваемые отверстия малого диаметра служат для создания эффекта «пленочного охлаждения», т.е. тонкой пленки холодного воздуха вдоль внутренней стенки жаровой трубы, которая ограждает корпус жаровой трубы от воздействия высоких температур, возникающих при горении топливной смеси. Это обуславливает высокие требования к точности и качеству изготовления этих отверстий.

Тепловой поток, создаваемый в камере сгорания поступает в турбину высокого давления. Тепловая энергия преобразуется в кинетическую с помощью лопаток. Лопатки работают в высокотемпературном поле при циклических нагрузках. При этом ресурс лопаток двигателей военной авиации - 500 ... 1000 ч, а для гражданской авиации - 10 ... 20 тыс. ч. Стоимость и трудоемкость изготовления комплекта лопаток составляет 20...35 % от общей стоимости и трудоемкости двигателя.

В процессе эксплуатации лопатки подвергаются:

- растяжению и изгибу под действием центробежных сил;

- изгибу и кручению под действием газового потока;

- воздействию переменных напряжений от вибрационных нагрузок;

- воздействию повышенных и высоких температур (300 ... 600 °С для лопаток компрессора и 800 ... 1200 °С для лопаток турбин);

- резким колебаниям температуры при пусках и остановках двигателя, вызывающим термическую усталость материалов лопаток;

- воздействию пылевой, дождевой и газовой эрозии;

- электрохимической и высокотемпературной газовой коррозии;

- износу и фреттинг-коррозии в местах сопряжений (замковых соединениях, бандажных и антивибрационных полках).

При столь разнообразных и жестких условиях нагружения надежность и ресурс лопаток турбины определяются множеством факторов, основными из которых являются:

- особенности конструкции лопатки, обусловленные уровнем действующих напряжений и их концентрацией на отдельных конструктивных элементах;

- используемые материалы и их состояние после формирования заготовки;

- состояние поверхностного слоя, полученное на финишных стадиях технологического процесса (шероховатость, знак и уровень остаточных напряжений, степень упрочнения и др.);

- вид и свойства защитных покрытий.

Три последние группы факторов непосредственно определяются технологией изготовления лопаток.

Лопатки ГТД классифицируют:

- по назначению (рабочие лопатки компрессора, рабочие лопатки турбины, сопловые и спрямляющие (неподвижные));

- по конструктивным признакам (монолитные (сплошные неохлаждаемые); с каналами; пустотелые; вафельные, паянные из двух половинок, охлаждаемые лопатки турбины);

- по способу изготовления (деформируемые (кованые, прессованные, вальцованные), литые, свариваемые, спекаемые).

Основными конструктивными элементами лопаток являются: перо, хвостовик, полки пера и хвостовика, антивибрационные и бандажные полки.

Перо лопатки имеет сложную пространственную аэродинамическую форму с постоянными или переменными профилями поперечных сечений по длине, а также определенную закрутку. Выпуклую сторону пера называют спинкой, а вогнутую - корытом. Кромку пера со стороны входа газа называют входной (передней), а противоположную - выходной (задней).

Перо рабочих лопаток турбины имеет переменные сечения по длине и закрутку до 60°. Как правило, максимальная толщина поперечных сечений лопаток турбин больше, чем у лопаток компрессоров. Большая максимальная толщина необходима для охлаждаемых лопаток, в которых выполняются внутренние полости и дополнительные конструктивные элементы для интенсификации теплообмена. Толщина поперечных сечений лопаток турбин (площадь сечений) существенно изменяется по высоте. Повышенные углы поворота потока в межлопаточных каналах лопаток турбин обуславливают больший, чем у лопаток компрессоров, прогиб профилей и, как следствие, большие момент инерции и жесткость. В процессе производства внутренние полости охлаждаемых лопаток турбин, так же как и трактовые (рабочие) поверхности, окончательно, с заданной шероховатостью поверхности, формируются в литой заготовке.

Рисунок 1.6 - Эскиз лопатки

Пленочное ^ охлаждение

Струйное охлаждение

Оребрение ^^Охлаждающий канал

Канап

Вихревая матрица

Охлаждающий воздух

Рисунок 1.7 - Типичная схема охлаждения рабочей лопатки турбины

Изготовление лопаток занимает особое место в производстве ТРД, что обусловлено следующими факторами:

- сложностью и многообразием геометрических форм лопаток;

- высокими требованиями по точности изготовления и состоянию поверхностного слоя;

- использованием дорогостоящих и труднообрабатываемых материалов;

- высокой трудоемкостью изготовления;

- необходимостью использования для обработки и контроля высокоточного специализированного оборудования и квалифицированного персонала.

Таблица 1.1- Жаропрочные сплавы для изготовления лопаток турбины

Рабочая температура лопаток, °С Марка сплава

650...800 800..850 850.. 950 950...1000 1000... 1200* * Для охлаждаемых лопаток. ЭИ437А, ЭИ437Б ЭИ617, ЭИ598, ЭИ896 ЭИ929, ЭИ867, ЭП109 ЖС6-К ЖС6-К, ВЖЛ-12, ЖС26, ЖС32

Марка сплава аь, МПа ао,2, МГ1а 8,% У, % Ак, КДж/м2 НВ, МПа

ЖС26 930 810 16 18 450 3500

ЖС32 1060 850 20 26 420 3450

Таблица 1.3 - Химический состав жаропрочного сплава ЖС26

Марка сплава Содержание химических элементов, %

С Мп Сг N1 П А1 Мо Ре Си Р 8 В V, Со Прочие

ЖС 26 0,2 0,1 0,05 9,5 оси 2,4 5,6 10,5 2,2 1,0 - 0,01 0,01 0,01 Со9,2 ЫЬ 1,0

Охлаждаемые отверстия в лопатках имеют следующие размеры: 00,45+0,05; 00,55+0,05; 00,65+0,05.

По технологии, применяемой на ОАО «Пермский моторный завод», отверстия обрабатываются в следующей последовательности:

1 на торце пера 2 в корыте пера

3 на спинке пера 4 на корыте пера 5 на спинке пера

штук).

Основные недостатки существующей технологии:

1) Большое число операций, на каждой из которых требуется дорогостоящее специализированное приспособление.

2) Длительное время наладки: требуется точно установить каждый электрод в группе.

3) Из-за неравномерного износа электродов, требуется их периодическое выравнивание при помощи абразивного круга.

4) Низкая точность формы отверстий, из-за погрешности формы электрода.

Отверстия малого диаметра служат для охлаждения лопаток турбин - для создания эффекта «пленочного охлаждения». Это обуславливает высокие требования к их расположению, форме, размерам и качеству.

Отверстия малого диаметра используются во многих деталях авиационного двигателя, например лопатках газовых турбин, кольцевых деталях турбины и камеры сгорания, в форсунках и фильтрах, экранах, деталях гидро и пневмоагрега-тов (золотники, плунжеры, дроссели, гильзы и т.д.); для контровки деталей крепежа и арматуры.

1.2Анализ существующих методов обработки отверстий малых диаметров в

труднообрабатываемых сплавах

Отверстия малого диаметра получают различными способами (рис. 2.1): резанием (сверление сверлами малого диаметра), лазерным и электронным лучом, электроэрозионной обработкой, электрохимической и ультразвуковой обработкой, струйно-абразивной обработкой и др. Каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки.

Рисунок 1.8- Методы получения отверстий малого диаметра: а - сверление; б - лазерное сверление; в - электрохимическая струйная обработка; г - электрохимическая обработка проводящим электродом; д - ультразвуковая обработка; е - электроэрозионная обработка вращающимся электродом; ж - электроэрозионная обработка сборным электродом; з - электро-

Гэз под давлением

Электролит под давлением

Электролит под давлением

Волновод

Инструмент

Абразивная суспензия

эрозионная обработка полым электродом; и - электроэрозионная обработка

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Владыкин, Алексей Валерьевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. Абдукаримов Э.Т., Саидинов C.E., Рахматуллаев М.Р., Рустамов P.M. Некоторые особенности процессов на электродах при условиях электроэрозионной прошивки глубоких отверстий в различных средах // Электронная обработка материалов. 1995. №4. С. 6-8.

2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных решений. - М.: Наука, 1976.

3. Алтынбаев А.К., Митрофанов A.A. Высокопроизводительная струйная ЭЭО глубоких отверстий диаметром 0,2-2 мм в охлаждаемых лопатках авиационных двигателей и энергетических машин // Сб. трудов ВНТК. «Перспективные технологии физико-химической размерной обработки и формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов». Уфа: УГАТУ. 2001. С. 157-159.

4. Бирюков Б.Н. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки. /М.: Машиностроение, 1981. - 128 с.

5. Бойко А.Ф. Эффективная технология и оборудование для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий [Текст]: монография / А.Ф. Бойко - Белгород: Изд-во БГТУ, 2010 - 314 с.

6. Бойко А.Ф. Оптимизация вылета электрода-инструмента при электроэрозионной прошивке микроотверстий [Текст] / А.Ф. Бойко, A.A. Погонин, М.Н. Воронкова // Технология машиностроения - 2008 - №10 - С. 18-20.

7. Бойко А.Ф. Сравнительный анализ производительности электроэрозионной прошивки микроотверстий при использований RC- и транзисторного генераторов импульсов [Текст] / А.Ф. Бойко, А.А Погонин, М.Н. Воронкова // Электрика - 2009 - № 10 - С. 19-23.

8. Бойко А.Ф. Технологические методы получения микроотверстий . Часть 1 [Текст] / А.Ф. Бойко // Ремонт, восстановление, модернизация - 2009 -№10-С. 31-36.

9. Бойко А.Ф. Технологические методы получения микроотверстий. Часть 2 [Текст] / А.Ф. Бойко // Ремонт, восстановление, модернизация - 2009 -№10-С. 21-25.

10. Бойко А.Ф. Исследование переходных процессов наносекундного транзисторного генератора импульсов для электроэрозионной пошивки микроотверстий в режиме холостого хода и короткого замыкания [Текст] / А.Ф. Бойко, A.A. Погонин, М.Н. Воронкова, А.Г. Схиртладзе // Электрика - 2010 - №1 - С. 2835.

11. Бойко А.Ф. Оптимизация мощности электроэрозионной прошивки микроотверстий [Текст] / А.Ф. Бойко // Ремонт, восстановление, модернизация -2010-№7-С. 43-47.

12. Бойко А.Ф. Исследование механизма естественной эвакуации продуктов обработки при электроэрозионной прошивке микроотверстий [Текст] / А.Ф. Бойко // Ремонт, восстановление, модернизация - 2011 - №4 - С. 49-51.

13. Бойко А.Ф. Высокочастотная электроэрозионная прошивка отверстий малого диаметра [Текст] / А.Ф. Бойко // Электронная обработка материалов -1980-№1 С. 86-88.

14. Бойко А.Ф. Прецизионный станок 04ЭП-10М для высокочастотной электроэрозионной прошивки отверстий малого диаметра [Текст] / А.Ф. Бойко, Ю.М. Бративник, Ю.А. Хукаленко // Электронная обработка материалов - 1983 -№3 - С. 76-78.

15. Бойко А.Ф. Станок для электроэрозионной обработки отверстий малого диаметра [Текст] / А.Ф. Бойко // Станки и инструменты - 1987 - №12 - С. 2425.

16. Бойко А.Ф. Расчёт оптимального вылета электрода-инструмента при высокочастотной электроэрозионной прошивке отверстий малого диаметра [Текст] / А.Ф. Бойко // Электронная техника. Сер. 7, Технология, организация производства и оборудование - 1988 - №5 - С. 85-87.

17. Бойко А.Ф. Сравнительный анализ роста производительности процесса при высокочастотной электроэрозионной прошивке отверстий малого диаметра [Текст] / А.Ф. Бойко // Электронная обработка материалов - 1989 - №1 - С. 77-81.

18. Бойко А.Ф. Станки для скоростной электроэрозионной прошивки малых отверстий [Текст] / А.Ф. Бойко // Электронная промышленность - 1990 - №11 -С. 4-5.

19. Блинова Т.А. Зависимость шероховатости поверхности малых отверстий от типа рабочей среды и режимов электроэрозионной обработки [Текст] / Т.А. Блинова, A.A. Погонин, А.Ф. Бойко // Известия научного центра Российской академии наук - Самара; Издательство Самарского научного центра РАН — 2010 — Том 12 (33), №11 (2) - С. 301-303.

20. Владыкин A.B., Повышение эффективности обработки отверстий малых диаметров в деталях из жаропрочных сплавов на основе применения метода электроэрозионного сверления / В.Ф. Макаров// Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьёва. - 2010 - №2 (17)-С. 29-37.

21. Владыкин A.B., Эффективность электроэрозионного сверления отверстий малых диаметров в деталях из жаропрочных сплавов / В.Ф. Макаров// Технология машиностроения. - 2011 - №5 - С. 13-17.

22. Владыкин A.B., Определение оптимальных режимов электроэрозионной обработки отверстий малых диаметров // Сборник трудов IV научно-технической конференции молодых специалистов, посвященной 83 годовщине образования УМПО - Уфа: УМПО, 2008 - С. 40-44.

23. Владыкин A.B. Внедрение прогрессивной электроэрозионной обработки отверстий малого диаметра в жаропрочных сплавах с использованием вращающегося полого электрод-инструмента // Сборник I международной НПК -Молодые учёные -Пермь: ПНИПУ, 2011 - С. 12-16.

24. Владыкин A.B., Исследование влияния режимов прокачки и скорости вращения электрода-инструмента на производительность и качество электроэро-

зионной обработки перфорационных охлаждающих отверстий в деталях ГТД/ В.Ф. Макаров// Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий: межвуз. науч. сб. / М-во образования и наук РФ, УГАТУ - Уфа: УГАТУ, 2013 - С. 109-116.

25. Владыкин A.B., Интенсификация электроэрозионного сверления отверстий в лопатках турбины ГТД из жаропрочных сплавов / В.Ф. Макаров // Международные молодёжные научно-технические чтения им. А.Ф. Можайского: тез. докл., Украина, Запорожье-Алушта, 21-23 мая 2013г./ АО «Мотор Сич» и др. -Запорожье, 2013 - С. 140-142.

26. Владыкин A.B., Расчёт производительности высокоскоростной электроэрозионной обработки отверстий в жаропрочном сплаве полым вращающимся электродом-инструментом / В.Ф. Макаров // Наукоёмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении (ТМ - 2012): материалы IV Междунар. науч. -техн. конф., посвящ. 75-летию В.Ф. Безъязычного, 3-5 сент. 2012 г., Рыбинск: в 2 ч. / М-во образования и науки РФ [и др.] - Рыбинск: РГАТУ им. П.А. Соловьёва, 2012-Ч. II-C. 135-142.

27. Владыкин A.B., Сравнительные исследования и оптимизация методов электроэрозионной обработки при сверлении отверстий малых диаметров в деталях из жаропрочных сплавов /В.Ф. Макаров // XXXVIII Гагаринские чтения: междунар. мол. науч. конф., [г. Москва, 10-14 апр. 2012 г.]: науч. тр.: в 8 т. / М-во образования и науки РФ, Рос. акад. космонавтики им. К.Э. Циолковского, ..., МАТИ - Рос. гос. технол. ун-т им. К.Э. Циолковского [и др.] - М.: [Издат. центр МАТИ], 2012 - Т. 2 - С. 8-9.

28. Владыкин A.B., Повышение эффективности обработки отверстий малых диаметров в деталях ГТД из жаропрочных сплавов методом электроэрозионного сверления вращающимся полым электродом / В.Ф. Макаров // Будущее авиации за молодой Россией: XI медунар. салон «Двигатели - 2010»: материалы Междунар. молодёжного форума / Ассоц. «Союз авиац. Двигателестроения» [и др.] - Рыбинск: Изд-во РГАТА им. П.А. Соловьёва, 2010 - С. 14-18.

29. Выбор и проектирование прогрессивных методов обработки : Учеб-но-метод. пособие по дисциплине «Оптимизация технологических процессов механической обработки» / Сост. В.И. Свирщев ; Перм. гос. техн. ун-т, Пермь, 1999. -23 с.

30. ГОСТ 25331-82. Обработка электроэрозионная. М.: Изд. Стандартов, 1982. 11 с.

31. Евсин Е.А., Исследование процесса электроэрозионной обработки отверстий малого диаметра в деталях из жаропрочного сплава / A.A. Бельтюков, И.А. Пермяков, A.B. Владыкин // Вестник ПГТУ - Пермь: ПГТУ, 2007 - С. 20-24.

32. Елисеев Ю.С., Трошин А.Н. Техника и технология электроэрозионной обработки отверстий малого диаметра в деталях ГТД // Полёт. 2000. №12. С. 3644.

33. Елисеев Ю.С., Трошин А.Н. Электроэрозионная обработка отверстий малого диаметра// Авиационная промышленность. 2001. №1. С. 15-19.

34. Золотых Б.Н. 50 лет электроэрозионной обработке материалов: пройденный путь и перспективы дальнейшего прогресса // Электронная обработка материалов. 1994. №1. С. 4-7.

35. Золотых Б.Н., Мальдер P.P. Физические основы электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1977. 43 с.

36. Золотых Б.Н., Любченко Б.М. Инженерная методика расчёта технологических параметров электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1981. 24 с.

37. Золотых Б.Н., Золотых В.Б. Расчёт режим электроэрозионной обработки с величиной шероховатости Ra менее 0,2 мкм // Электронная обработка материалов. 1984. С. 17-21.

38. Круглов А.И Физические свойства искрового промежутка как нагрузки генератора и объекта регулирования. - В кн. Проблемы электрической обработки материалов. М., 1962.

39. Кузовкин A.B. Режимы электроэрозионной и комбинированной обработки электродом-проволокой / A.B. Кузовкин, А.И. Коптев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. №1. С. 25-28.

40. Коптев А.И. Комбинированная обработка осесимметричного инструмента / А.И. Коптев, A.B. Кузовкин // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2010. Вып. 5. С. 7-12.

41. Лазаренко Б.Р., Лазаренко Н.И. Электрическая эрозия металлов. М.Л.: Государственное энергетическое издательство. 1944. 28 с.

42. Макаров В.Ф., Оптимизация процессов скоростного электроэрозионного сверления отверстий малых диаметров в деталях из жаропрочных сплавов / P.C. Абзаев, A.B. Владыкин// Справочник. Инженерный журнал. - 2013 - №7 (196).-С. 8-13.

43. Макаров В.Ф., Влияние режимов электроэрозионной обработки отверстий в жаропрочных сплавах на производительность и стойкость вращающегося полого электрода-инструмента / A.B. Владыкин // Машиностроение и техносфера XXI века: сб. тр. XVII междунар. науч. - техн. конф., г. Севастополь, 13-18 сент. 2010 г.: в 4 т. Т. 2 / М-во образования и науки Украины (и др.). - Донецк: Дон-НТУ, 2010 - С.135-138.

44. Макаров В.Ф., Исследование процесса электроэрозионного сверления отверстий малых диаметров в деталях газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов / A.B. Владыкин // Новые материалы и технологии в машиностроении: сб. науч. тр. / Брянская гос. инж. - технол. акад. - Брянск: БГИТА, 2010 - Вып. №12 -С.78-83.

45. Макаров В.Ф., Выбор оптимальных режимов электроэрозионного сверления отверстий малых диаметров в деталях из жаропрочных сплавов / A.B. Владыкин // Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий: межвуз. на-

уч. сб. / М-во образования и науки Рос. Федерации, УГАТУ - Уфа: Ред. - издат. комплекс УГАТУ, 2012 - С. 146-153.

46. Макаров В.Ф., Применение совмещённой лазерно-электроэрозионной обработки отверстий малых диаметров в деталях из жаропрочных сплавов с керамическим покрытием / A.B. Владыкин // Машиностроение и техносфера XXI века: сб. тр. XX междунар. науч. - техн. конф., г. Севастополь, 16-21 сент. 2013 г. / М-во образования и науки, молодёжи и спорта Украины [и др.] - Донецк: Технополис, 2013-Т. 2-С. 105-109.

47. Макаров В.Ф., Сравнительные исследования и оптимизация методов ЭЭО при сверлении отверстий малых диаметров в деталях из жаропрочных сплавов / A.B. Владыкин // Наукоёмкие технологии в машиностроении: материалы всерос. научн. - практ. конф., посвящ. 30-летию фил. УГАТУ в г. Ишимбае и 80-летию УГАТУ, г. Ишимбай, 10-12 мая 2012 г. / М-во образования и науки РФ, УГАТУ [и др.] - Уфа: [УГАТУ], 2012 - С. 10-11.

48. Мицкевич М.К., Бушик А.И., Демидович А.А Модель процесса электроэрозионной обработки с орбитально-движущимся электродом // Электронная обработка материалов. 1994. №2. С. 7-9.

49. Намитоков К.К. Электроэрозионные явления. М.: Энергия, 1978. 456

с.

50. Оптимизация технологических процессов механической обработки: Учебно-метод. пособие по дисциплине «Оптимизация технологических процессов механической обработки» / Сост. В.И. Свирщев; Перм. гос. техн. ун-т, Пермь, 2000.-58с.

51. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей / Безъязычный В.Ф., Кожина Т.Д., Константинов A.B. и др. -М.: Изд-во МАИ, 1993. - 184с.

52. Подураев В.Н. Технология физико-химических методов обработки. / М.: Машиностроение, 1985. - 264 с.

53. Попилов Д.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов. / Справочник - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1982. -400 с.

54. Полянин В.И., Алтынбаев А.К. Применение электроэрозионной обработки в авиационном двигателестроении // Электронная обработка материалов. 1993. №6. С. 18-21.

55. Погонин A.A. Совершенствование технологии процесса электроэрозионной обработки микроотверстий [Текст] / A.A. Погонин, А.Ф. Бойко, Б.В. До-машенко, А.Г. Схиртладзе // Ремонт, восстановление, модернизация - 2010 - №1 -С. 5-7.

56. Погонин А.А Дисперсный анализ продуктов электроэрозионной обработки / [Текст] A.A. Погонин, А.Ф. Бойко, Т.А. Блинова // Технология машиностроения - 2010 - №6 - С. 26-28.

57. Рабочая жидкость для электроэрозионных станков. Технологические рекомендации. М.: ЭНИМС, 1985.

58. Размерная электрическая обработка металлов / Б.А. Артамонов, A.JI. Вищницкий, Ю.С. Волков, A.B. Глазков. Под ред. A.B. Глазкова. М.: Высшая школа. 1978. 336 с.

59. Рыжов Э.В., Аверченков В.Н. Оптимизация технологических процессов механической обработки. / Киев: Наук. Думка, 1989. - 192 с.

60. Саушкин Б.П. Физико-химические методы обработки в машиностроении. Кишинёв: КПП им. С. Лазо, 1990. 80 с.

61. Смоленцев В.П., Переладов Н.П. Качество поверхности после электроэрозионной и комбинированной обработки // Электронная обработка материалов. 1993. №6. С. 13-15.

62. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей / Колл. Авторов; Под ред. А.Г. Братухина, Г.К. Язова, Б.Е. Карасёва. - М.: Машиностроение, 1997. -416 с.

63. Ставицкий Б.И. Электроискровая обработка материалов способ Лаза-ренко на рубеже столетий // Электронная обработка материалов. 2000. №5. С. 810.

64. Ставицкий Б.И. Основные этапы, современное состояние и перспективы развития электроискровой обработки материалов // Электронная обработка материалов. 1994. №1. С. 7-11.

65. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Под ред. В.А. Волосатова - Л.: Машиностроение, 1988 - 719 с.

66. Справочник технолога-машиностроителя: В 2-х т. / Под ред. A.M. Дальского, А.Г. Суслова, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова - М.: Машиностроение, 2001. Т. 2-944 с.

67. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей / Под ред. Б.П. Саушкина. М.: Дрофа, 2002. 656 с.

68. Фотеев Н.К., Спришевская И.А. Расчёт температурных полей в поверхностном слое детали, обрабатываемой электроэрозионным способом // Электронная обработка материалов. 1991. №2 С. 9-11.

69. Фотеев Н.К. Технология электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1980. 184 с.

70. Фотеев Н.К. Особенности поверхностей, обработанных электроэрозионным способом // Электронная обработка материалов. 1979. №6. С. 5-8.

71. Фролов В.Я. Тепловая модель электроэрозионного процесса // Материалы МНТК «Электрофизические и электрохимические технологии». СПб.: СПб.ГТУ 1997. С. 44-45.

72. Электрофизические и электрохимические методы обработки: В 2-х т. / Под ред. В.П. Смоленцева - М.: Высш. шк., 1983. Т. 1 - 247 с.

73. Электроэрозионная обработка материалов / М.К. Мицкевич, А.И. Бу-шин, И.А. Бакуто и др. Под ред. И.Г. Некрашевича. Минск: Наука и техника. 1988.216 с.

74. Deep Angled Holes for Turbine Designs Current EDM. Booth D-4128. Modern Machine Shop. 2000. № 2. P. 12-18.

75. Kleinste Bohrungen bei Höchster // Machine. 2000, 54, № 1-2. P 16.

76. Kruth J.P., Van Hambeeck J., Stevens L. Micrj structural investigation and metallographic analysis of the white layer of a surface machined by EDM // Proc. Intern. Symp. Electromachining (ISEM-XI). Switzerland. 1995. P. 849-862.

77. Postanogov V.H., Komin V.F. Electrochemical and Electrophysical Processing Technologies of Special Parts and their Coversion // Proc. Intern. Symp. Elecromachining (ISEM-X). Germany, 1992. P. 486-492.