Анализ эффективности гидроабразивной вырезки межлопаточных каналов в моноколесах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

_ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

УДК 621.45(075.8)

Анализ эффективности гидроабразивной вырезки межлопаточных каналов в моноколесах

Ю. П. Астахов, Ю. А. Моргунов, Б. П. Саушкин, Б. В. Шандров

В современных конструкциях осевых компрессоров газотурбинных двигателей и энергетических машин вместо сборных лопаточных колес применяют моноколеса (блиски), т. е. лопаточные колеса, изготовленные без применения сборочных операций [1]. Это позволяет существенно снизить массу компрессора, трудоемкость и себестоимость его изготовления [2].

На отечественных заводах обработка межлопаточных каналов моноколес осуществляется резанием на многокоординатных фрезерных станках типа Turboblisk фирмы Liechti, Breton (рис. 1). Обычно обработку выполняют в два перехода с последующей слесарной доводкой профиля, донышка и радиусов перехода. Обработка резанием проточной части пера осложняется консольной конструкцией маложестких тонкостенных лопаток, требует привлечения специальных технологических средств и приемов обработки. Так, для увеличения жесткости обрабатываемого пера и снижения соответствующей погрешности обработки межлопаточные каналы заполняют быстротвердеющими составами, используют специальные схемы и стратегии снятия припуска [3, 4]. Такие технологии характеризуются высокими трудоемкостью и себестоимостью.

Существенного повышения технико-экономической эффективности изготовления бли-сков можно достичь предварительным формообразованием межлопаточных каналов на стадии получения заготовки. Однако для большинства лопаточных колес компрессора из-за технических требований к их изготовлению такие технологии отсутствуют или имеют существенные недостатки. Поэтому представляет интерес маршрут изготовления лопаток, состоящий из следующих основных операций:

• предварительное высокопроизводительное удаление основного объема материала из межлопаточного пространства в сплошной дисковой заготовке;

• выравнивание припуска и достижение заданной точности в один-два перехода;

• доводка пера, донышка и радиусов перехода;

• упрочнение кромок и радиусов перехода.

Одним из перспективных вариантов черновой обработки межлопаточных каналов является гидроабразивная вырезка. На рис. 2, а представлена исходная заготовка диска в исходном положении, на рис. 2, б — заготовка после первого перехода гидроабразивной вырезки аэродинамического канала, на рис. 2, в —

Рис. 2. Двухпереходная гидроабразивная вырезка межлопаточного канала

Й

№ 5-6(71-72)/2012

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Рис. 3. Расчетная схема двухпереходной обработки блиска

после двухпереходной гидроабразивной обработки. На рис. 3 показана расчетная схема двухпереходной обработки в одном из поперечных сечений межлопаточного канала. На первом переходе вырезается сечение ADE с образованием затененной зоны со стороны корыта в виде криволинейного сектора, подлежащей удалению на последующих операциях. На втором переходе — сечение ВЕ1С с образованием неравномерного припуска на спинке лопатки. Максимальный припуск под последующую обработку спинки zmax1 находят как отрезок нормали к спинке, проходящей через точку В. Максимальный припуск под последующую обработку корыта zmax2 находят как расстояние между хордой E1D и касательной к профилю корыта, параллельной этой хорде. В точках касания производящих прямых с профилем лопаток предусмотрены минимальные припуски zmin1 и zmin2 под последу-

ющую обработку. Отметим, что при большой ширине диска (глубине реза) профиль поверхности после гидроабразивного резания может содержать участки с макродефектами (борозды в нижней части реза) размером до 1 мм, что необходимо учитывать при назначении минимального припуска.

Угол закрутки лопаток учитывают путем корректирования положения производящей прямой в каждом сечении лопатки.

Для гидроабразивной резки используют кинематические возможности существующих станков [5]. В табл. 1 представлены технические характеристики некоторых видов оборудования для многокоординатной гидроабразивной резки. В них используются специализированные системы ЧПУ, учитывающие изменение скорости резки в зависимости от кривизны траектории и направления движения струи.

Параметры режима обработки операции гидроабразивной резки выбирают исходя из рекомендаций производителей оборудования или используют имеющиеся аналитические зависимости [6, 7]. В нашем случае обработку производили с использованием следующих параметров режима:

Давление насоса, МПа...........350

Давление на рабочей головке, МПа . . 320 Максимальная толщина реза, мм . . . 150 Средняя скорость перемещения струи,

мм/мин..................... 4

Расход абразива, г/мин..........550

В результате экспериментов выполнена оценка качества реза и получены исходные данные для расчета штучно-калькуляционного времени обработки.

Как следует из данных табл. 1, технологическое оборудование для ГАО характеризует-

Технические характеристики многокоординатных станков для гидроабразивной резки

Таблица 1

Фирма-изготовитель; модель установки Число координат Размеры рабочей зоны, мм Точность позицио-нирова-ния, мм Максимальная скорость подачи, м/мин Мощность насоса, кВт Максимальный расход, л/мин Рабочее давление, МПа Ориентировочная цена, Eu

WJS AB, Швеция; NC 3520 S5-a 5 3550х2580 ±0,075 10 75 7,8 410 523 000

Huffman, США; WJ-156 6 406 х 406 ± 0,05 10 75 7,8 380 682 000

KNUTH, Германия; HYDRO-JET 3020 5 3000 х 2000 ± 0,05 20 37 3,8 380 415 000

PTV s. r. o., Чехия; Wj-nZ-D-5AX 5 4000 х 2000 ±0,05 12 75 7,8 415 440 000

ШШ^БРАУШ

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Таблица 2

Ресурс и стоимость расходных материалов

Наименование Ресурс или удельный расход Стоимость, Eu

Сопло 300 ч 700

Смесительная камера 300 ч 111

Сопловая труба 30 ч 107

Абразивный песок (в расчете на 1 т) 550 г/мин 212

ся высокой стоимостью, поэтому важным этапом технологического проектирования является технико-экономическое обоснование замены операции предварительного фрезерования межлопаточных каналов операцией гидроабразивной вырезки. Основанием для такой замены может служить заметное снижение себестоимости и трудоемкости изготовления моноколеса. Подобные данные в технологической литературе не рассматривались.

Ниже использована методика [8], согласно которой на основании экспериментальных данных выполнен расчет трудоемкости и себестоимости операций предварительного фрезерования и гидроабразивной вырезки межлопаточных каналов типового моноколеса компрессора, изготовленного из титанового сплава ВТ6. Наружный диаметр лопаточного венца моноколеса составляет 600 мм, толщина венца — 80 мм, длина лопатки — 150 мм, средняя хорда — 120 мм.

Экономическая эффективность рассчитывалась по двум вариантам обработки межлопаточных каналов:

1) предварительное фрезерование профиля твердосплавными радиусными концевыми фрезами на станке фирмы Breton;

2) гидроабразивная вырезка на станке фирмы WJS; ресурс и стоимость расходных ма-

териалов при гидроабразивной резке, по данным их производителей, приведены в табл. 2.

Исходя из требуемой глубины реза при давлении на режущей головке 320 МПа принята линейная скорость резания титановой заготовки 4 мм/мин, обеспечивающая среднюю производительность обработки 600 мм2/мин.

Расчеты показывают, что машинное время обработки составляет для первого перехода 30 ч (±25 мин), а для второго — 5 ч (±5 мин) при удельном расходе абразива 550 г/мин. Исходные данные для расчета технико-экономической эффективности сведены в табл. 3, а в табл. 4 приведены результаты расчета себестоимости для двух вариантов обработки по изменяемым статьям затрат.

При расчете амортизационных отчислений принято потребное количество оборудования по первому варианту, равное 2 (с учетом частичного использования третьей смены), с коэффициентом загрузки по времени данной деталью 0,9.

По второму варианту принят один станок с коэффициентом загрузки 0,87. Нормативный коэффициент амортизации 0,2.

При расчете затрат на режущий инструмент принимали во внимание следующее. При фрезеровании межлопаточного канала используют четыре различных фрезы с допустимым числом переточек пд = 15. При требуемом на одно колесо числе переточек пп затраты на инструмент

Си = Сф + Сп = 14 143 + 6220 = 20 363 руб.,

где Сф — стоимость инструмента, переносимая на одно моноколесо; Сп — стоимость переточек.

Стоимость фрезы на момент проведения расчета и число требуемых переточек пт для

Исходные данные к расчету Таблица 3

Показатель Вариант 1 Вариант 2

Принятая годовая программа выпуска моноколес Ы, шт. 100 100

Стоимость технологического оборудования Цо, млн руб. 15 14,53

Трудоемкость одного изделия tшк, н/ч 100 35

Часовая тарифная ставка основных рабочих Чр, руб. 70 70

Часовая тарифная ставка заточника Чз, руб. 70 -

Установленная мощность двигателей Мд, кВт 95 70

Норма времени на заточку комплекта фрез Нз, н/ч 2,7 -

Стоимость 1 кВт • ч электроэнергии Цэ, руб. 1,8 1,8

П р и м е ч а н и е. Нормативные данные принимались по базовому предприятию на момент прове-

дения расчетов.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Таблица 4

Расчет себестоимости по сравниваемым вариантам

Статья затрат Вариант 1 Вариант 2 Разность затрат

Амортизационные отчисления, руб. 60 000 25 282 34 718

Заработная плата основных производственных рабочих, ИТР и прочих категорий работающих с начислениями, руб. 12 530 4386 8144

Затраты на инструмент, руб. 20 363 8570 11 793

Затраты на вспомогательный материал, руб. 4160* 7680 -3520

Затраты на электроэнергию, свет и воду, руб.** 9935 2562 7373

Изменение себестоимости, руб. ДС = С1 - С2 = 58 508

Коэффициент сравнительной экономической эффективности в расчете на 100 моноколес 0,38

* Нормативные расходы на СОТС. ** Расходы на свет и воду приняты в размере 3,75% от расходов на силовую электроэнергию.

каждой фрезы, приходящиеся на одно колесо, приведены в табл. 5.

Таким образом,

Сф = 14 143 руб.;

Сп = Са.з + С = 1256 + 382 • 13 = 6220 руб.

Стоимость абразивного песка Са получаем по выражению

Са = Са.оОА = 0,212 • 0,55 • 35 • 60 = = 244 Eu = 8570 руб.,

где Сао — стоимость единицы массы песка; Qa — массовый расход песка в единицу времени; £м — машинное время обработки, мин.

Затраты на расходные материалы по Ср.м (абразивный песок учтен в графе «инструмент») с учетом их стоимости и ресурса

Ср.м = 2858 + 453 + 4369 = 7680 руб.

В результате расчетов получен коэффициент сравнительной экономической эффективности Ер = 0,38, срок окупаемости оборудования, приведенного в табл. 1, составляет 2,5-4 года.

Заключение

Таким образом, применение предварительного формообразования межлопаточных каналов моноколес на операции гидроабразивной резки позволяет существенно снизить трудоемкость (в нашем случае почти в три раза) и себестоимость (примерно 2 тыс. дол. на колесо) их изготовления, сократить технологический цикл изготовления моноколеса, повысить культуру производства.

Литература

1. Гайлит Ю. Т., Саушкин Б. П. Технологическое обеспечение производства новых изделий // Крылья Родины. 2007. № 10. С. 35-40.

2. Ножницкий Ю. А. Разработка ключевых (критических) технологий для создания новых поколений ГТД // Новые технологические процессы и надежность ГТД: науч.-техн. сб. М.: ЦИАМ, 1999. С. 5-34.

3. Полетаев В. А. Технология автоматизированного производства лопаток газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 2002. 376 с.

4. Технологические схемы формообразования сложных поверхностей деталей // Ю. Н. Вивденко, А. А. Ляш-ков, А. Н. Шутов, С. М. Егоров // Металлообработка. 2010. № 5. С. 10-14.

5. Саушкин Б. П. Гидроабразивная резка. Технология и применение // Ритм. 2012. № 4. С. 68-74.

6. Momber A., Kovacevic R. Principles of Abrasive Water Jet Machining. Berlin: Springer Verlag, 1998.

7. Барсуков Г. В. Повышение эффективности гидроабразивного резания на основе дискретного регулирования состояния технологической системы: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М.: МГТУ-Станкин, 2007. 32 с.

8. Справочник технолога-машиностроителя: в 2-х т. / Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова, А. Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2003.

Таблица 5

Расчет себестоимости по сравниваемым вариантам

Номер фрезы Стоимость фрезы, руб. Количество переточек пп

1 9264 4

2 6882 4

3 14 143 10

4 6000 1