CC BY
65
Выводы
1. На основании исследования образования газовой анодной оболочки и элементов режима электролитно-плазменного полирования установлено, что данным методом могут быть получены значения шероховатости поверхностей Яа до 0,1 мкм, при этом разброс значений для выпуклой поверхности Яа = = 0,01 - 0,02 мкм, для вогнутой поверхности Яа = 0,02 - 0,03 мкм, для плоской поверхности Ва = 0,01 - 0,02 мкм.
2. Производительность съема на наружных поверхностях составила 0,18 мкм/мин, на внутренних — 0,14 мкм/мин.
Литература
1. Ушомирская Л. А., Фоломкин А. И., Новиков В. И.
Особенности чистовой обработки турбинных лопаток // Металлообработка. 2008. № 4 (46). С. 19-21.
2. Ушомирская Л. А., Новиков В. И. Полирование легированных сталей в нетоксичных электролитах при высоком напряжении // Металлообработка. 2008. № 1 (43). С. 22-24.
3. Локтев Д. Е., Ушомирская Л. А., Новиков В. И. Исследование параметров электролитно-плазменно-го полирования низколегированной стали методом планирования полного факторного эксперимента / / Металлообработка. 2009. № 5 (53). С. 15-18.
4. Кириллов Н. Б., Васильков С. Д., Новиков В. И. Исследование влияния электролитно-плазменного полирования на качество поверхностного слоя изделий из легированных сталей // Научн.-техн. ведомости СПбГПУ. 2010. № 2-2 (100). С. 130-135.
УДК 621.9.048
Скоростная электроэрозионная обработка пазов системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания
Д. М. Забельян, В. В. Рогов, Е. А. Митрюшин, Ю. А. Моргунов, Б. П. Саушкин
При изготовлении пространственно-сложных изделий возникает необходимость выполнять электроэрозионную прошивку отверстий, ориентированных различным образом в системе координат станка [1, 2]. Для этой цели созданы и представлены на рынке оборудования 4-6-координатные прошивочные станки. Характерным примером изделия, при обработке которого приходится использовать многокоординатные электроэрозионные прошивочные станки, является жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя с новой схемой охлаждения. В настоящей работе отражен опыт разработки эффективных технологий формообразования пазов и отверстий в таких деталях на оборудовании компании Winbro group technologies (Anchem) [3].
Новая конструкция системы охлаждения секций жаровой трубы содержит большое количество отверстий малого диаметра (0,72,0 мм), выходящих в глухие пазы-карманы длиной 5 мм, шириной 1,5 мм и глубиной 5 мм (рис. 1). В перспективных конструкциях секций с тоннельной схемой охлаждения
планируется изготавливать пазы глубиной до 18 мм.
5684 пазов в секциях жаровой трубы изготовлены на копировально-прошивочных 4-координатных станках модели Н8-600. Наладка станка для изготовления двух пазов медными электродами-пластинами показана на рис. 2. Для данной технологии применено специальное делительное приспособление, разработана управляющая программа для автоматического перемещения электрода-инструмента (ЭИ) на 5 позиций с электроэрози-
Рис. 1. Пазы в секции жаровой трубы
у
№ 3(69)/2012
W"
РАЬОТИ
Рис. 2. Наладка станка на прошивку двух пазов
онной обработкой 10 пазов. После завершения этого цикла ванну с рабочей жидкостью опускали, заменяли электроды с изношенной рабочей частью, поворачивали деталь на требуемый угол и повторяли цикл. Машинное время обработки одного паза 8 мин, а время на обработку комплекта из четырех наименований деталей 910 нормо-ч.
На следующей операции деталь устанавливали на 6-координатном станке модели HSD6-GT для скоростного электроэрозионного сверления и производили обработку с выходом отверстий в полость паза (по два отверстия в каждый паз). В качестве ЭИ использовали латунные трубки соответствующего диаметра длиной до 450 мм, установленные в инструментальный блок — картридж. Штучно-калькуляционное время обработки отверстий в комплекте из четырех деталей составило 95 нормо-ч (рис. 3).
В целях снижения трудоемкости изготовления жаровой трубы разработана новая технология с использованием для формирования пазов 6-координатного станка модели HSD6-GT: ось Z — для позиционирования инструмента (U — рабочая подача ЭИ вдоль оси Z); ось С поворота инструмента; поворотные оси А и B (глобусный стол); оси X, Y привода стола. Рабочая жидкость — деионизированная вода. Общий вид станка показан на рис. 4, а функциональные возможности его осей представлены в табл. 1. Конструктивные элементы, технические характеристики и особенности эксплуатации станка описаны в работах [2, 3]. При разработке технологии высокоскоростного электроэрозионного фрезерования пазов исходили из следующих общетеоретических соображений [4].
Обработку проводили способом скоростного электроэрозионного фрезерования (high
4
Рис. 3. Схема формирования паза путем последовательного удаления заштрихованных слоев материала
speed electrodischarge milling) с использованием многоканальных трубчатых электродов-инструментов и приспособления — планшайбы для базирования и закрепления детали. Предусмотрена возможность автоматической смены картриджей с электродами.
Рис. 4. 6-координатный электроэрозионный станок HSD6-GT
0
1
2
3
№ 3(65)/2012
Таблица 1
Функциональные возможности используемых коорди-
сз
натных осей станка
Параметр Координатная ось
X Y Z U A B
Перемещение, мм (...°) 800 500 600 100 (±185) (+110, -25)
Скорость перемещения, м/мин (мин-1) 10 10 10 10 8 6
Точность позиционирования, мкм ±15 ±15 ±15 ±15 (±20) (±20)
Разрешающая способность ЧПУ, мкм (...°) 1 1 1 1 0,0005 0,0005
Формообразование пазов осуществляли с одного установа детали. На первом этапе производили программируемый обмер детали щупом с автоматической коррекцией положения.
На втором этапе обрабатывали пазы с послойным съемом металла (непрерывная рабочая подача по оси и с вращением электрода и одновременным возвратно-поступательным перемещением рабочего стола по оси X) по схеме, представленной на рис. 5.
Для исключения зависимости качества обрабатываемых поверхностей деталей от износа инструмента в цикле обработки используется переход правки инструмента непосредственно на поверхности детали за счет изменения полярности электродов.
Перфорационные отверстия изготавливали в этой же оснастке без переустановки.
При использовании данной технологии трудоемкость обработки пазов снизилась до 1 мин/паз, или 93,5 нормо-ч — по трем наи-
Режимы и условия обработки
Рис. 5. Схема обработки пазов трубчатым электродом-инструментом с прокачкой рабочей жидкости
менованиям секций. На комплект из четырех наименований деталей (с учетом обработки одной секции на станке НЯ-600 из-за наличия теневых зон) требуется 255 нормо-ч, т. е. трудоемкость сокращается в четыре раза.
Основные параметры режима обработки при использовании пластинчатых и трубчатых электродов для прошивки пазов и отверстий приведены в табл. 2.
Для анализа полученных результатов выполним расчет машинного времени обработки для каждой операции, воспользовавшись выражением для оценки объемной скорости электроэрозионной обработки (мм3/мин) [2]:
Q = ^эф^м^
(1)
где км — коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого материала; кэф — ко-
Таблица 2
u
0
Операция Параметры режима Рабочая Примечание
^ A U0, В Ти, мкс U, в f, кГц жидкость
1. Прошивка паза 1,5 ± 0,1 мм 12 200 30 30 22 EDM Eluid H2 Осцилляция ЭИ:
длиной 5 ± 0,2 мм, глубиной (3сСт) 0,8 с (обработка) +
5±0,25 мм медным электродом + 0,2 с (отвод). Обратная полярность
2. Фрезерование паза трубча- 10 200 6 30 91 Денонсиро- Вращение ЭИ,
тым инструментом* ванная вода п = 1000 об/мин
3. Прошивка отверстий 3 200 3 40 150 То же Прокачка рабочей
диамером 0,7-2,0 мм жидкости
* Использован емкостной источник питания емкостью 0,23 мкФ. Значения рабочих зазоров для операций, мм: 1 — 0,12;
2 — 0,03; 3 — 0,05.
№ 3 (69)/2012
эффициент эффективности использования импульсов; кж — коэффициент, зависящий от свойств рабочей жидкости; кр — коэффициент, зависящий от параметров режима обработки; кми — коэффициент, зависящий от материала электрода-инструмента; Wи — энергия разрядного импульса; f — частота следования импульсов. В наших условиях коэффициент км и не изменяется и может быть принят равным единице, коэффициент кш — удельная скорость эрозионного разрушения материала, принимается по данным работы [4], км = (0,35±0,1) 10-3 мм3/Дж.
Ограничения, накладываемые на энергию разряда и частоту следования импульсов при прошивке пазов и отверстий, найдем, используя выражения (2) и (3):
Я* = к^ит, (2)
где кЯ — коэффициент, определяемый материалом детали; т — показатель степени.
Из [4] находим кЯ = 100, т = 0,38. Для Я* = 12,5 мкм (Яа = 3,2 мкм) получаем максимально возможную энергию в импульсе Wи = = 4,5 • 10-3 Дж, для Я* = 25 мкм (Яа = 6,3 мкм) — Wи = 27 • 10-3 Дж.
Минимальную частоту следования импульсов находим из условия, согласно которому диаметр прошиваемого отверстия должен быть в 3-4 раза больше диаметра единичной лунки:
= кf
4т = 1Р , (3)
где kf — коэффициент при обработке жаропрочных сталей медными электродами, равный 4,8 кГц • мм3/А. В нашем случае при диаметре отверстия (ширине паза), равном 1,5 мм, получаем для операций 1 и 2 соответственно = 17 кГц и ¿ш1п2 = 14 кГц, а для отверстия диаметром 1 мм ¿ш1п3 = 14,4 кГц. Принятые в рассматриваемых операциях значения энергии и частоты следования импульсов соответствуют указанным ограничениям.
Результаты расчета энергии импульса и объемной скорости съема припуска приведе-
ны в табл. 3. В ней же приведены расчетные и экспериментально полученные значения машинного времени обработки.
Объем паза Уп = 35,25 мм3, отверстия — Уо = 1,7 мм3, площадь сечения паза = 7,05 мм2, отверстия — = 1,13 мм2 (при диаметре 1,2 мм). Время обработки находили путем деления объема снятого материала на объемную скорость эрозии. Для операции 1 учитывали увеличение времени обработки в соответствии со структурой цикла.
Как следует из данных табл. 3, расчетное машинное время для операций 1 практически совпадает с полученным экспериментально. Это означает, что в данных условиях принятое при расчете допущение о том, что входящие в выражение (1) коэффициенты к1 равны единице, является правомерным. Расчетное время на операции 2 и 3 примерно в 4 раза больше значения, полученного фактически. Это, вероятно, связано с тем, что коэффициент кж при обработке в воде больше, чем при обработке в жидкостях на основе углеводородов, что отмечалось, например, в работе [5]. Для объяснения столь заметного расхождения расчетных и экспериментальных значений машинного времени к сделанному выше предположению о роли рабочей жидкости следует добавить тот факт, что обработка на операциях 2 и 3 осуществляется на существенно меньших зазорах (0,030,05 мм). Известно, что при уменьшении зазора объем единичных эрозионных лунок возрастает, что при интенсивной эвакуации продуктов эрозии приводит к увеличению объемной скорости в результате возрастания значений коэффициента кр в уравнении (1). Так, согласно экспериментальным данным, приведенным в [5], при энергии импульса 0,5 мДж снижение зазора от 50 до 20 мкм приводит к увеличению объема эрозионной лунки примерно в 2-2,5 раза. Подчеркнем, что увеличение объема эрозионных лунок при прочих равных условиях является необходимым условием повышения производительности, но не достаточным. Поэтому этот эффект проявляется в наибольшей степени при обеспечении условий эффективной эвакуации продуктов эрозии, что характерно для обработки пазов трубча-
Таблица 3
Расчетные и экспериментальные значения машинного времени обработки одного паза (отверстия)
Номер операции по табл. 2 Wи> мДж Q, мм3/мин V, мм/мин Машинное время, мин
Расчет Эксперимент
1 12,6 5,82 0,8 7,6 8
2 4,4 8,4 1,2 4,2 1
3 0,5 1,62 1,4 1,0 0,25
№ 3(65)/2012
тым инструментом с интенсивной прокачкой рабочей жидкости.
Следует отметить тот факт, что операции обработки трубчатым ЭИ выполняются на обратной полярности при использовании коротких разрядных импульсов в условиях преимущественно электроискровой формы разряда с повышенной мощностью энерговвода, что также способствует интенсификации электроэрозионного разрушения материала [4].
Анализируя расчетную схему, показанную на рис. 5, можно рассчитать число двойных проходов инструмента (циклов обработки) по оси X для получения требуемой глубины паза. Действительно, при принятых в технологии кинематических параметрах перемещения инструмента (их = 450 мм/мин и иг = = 5 мм/мин) получаем следующие выражения для расчета времени цикла tц и объема материала V , снимаемого за цикл:
t = ц
2Ъ,
V = 0,75st V ,
ц ' ц г'
(4)
где я — площадь поперечного сечения паза.
Подставляя числовые значения, получаем tц = 0,93 с, V = 0,4 мм3. Количество циклов N = Vп/Vц = 88 (округляем в меньшую сторону). Максимальная погрешность формы донышка равна перемещению рабочего торца за один цикл А = vztц = 0,077 мм, что составляет менее 20 % допуска на глубину паза.
Для расчета истинной скорости подачи инструмента по оси Z воспользуемся дифференциальным уравнением, описывающим изменение межэлектродного промежутка а:
da / dt = vэд + vэи - Vпи,
' э.д э.и пи'
(5)
где vэд — линейная скорость эрозии детали; vэи — линейная скорость эрозии ЭИ; vпи — скорость подачи инструмента по оси Z. В стационарном режиме da / dt = 0 и
vп.и = Яэ (1 + У) / F:
п'
(6)
у = 2,8. По выражению (6) с учетом стационарности зазора находим значение скорости подачи ЭИ: vпи = 19 мм/мин.
Представленные расчеты дают возможность технологу участвовать в назначении параметров режима на выделенные выше операции. Для повышения достоверности расчетов необходимо уточнить используемые в расчетах коэффициенты экспериментальным путем в цеховых условиях по известным методикам [2].
Суммируя полученные выше результаты, можно заключить, что разработка и внедрение технологий электроэрозионного скоростного сверления и фрезерования на многокоординатных станках обеспечивают следующие преимущества:
— реализацию прогрессивных конструктивных схем охлаждения и улучшение технико-эксплуатационных характеристик деталей камеры сгорания в целях создания перспективных газотурбинных двигателей [6];
— высокоэффективную обработку пазов и отверстий с высокими точностью, производительностью и требуемым качеством;
— качественный рост технического уровня технологий электроэрозионной обработки на предприятии;
— снижение трудоемкости операции формирования глухих пазов по трем наименованиям новых секций камеры сгорания в 8 раз, в перспективных секциях с глубиной пазов до 18 мм — примерно в 4-5 раз;
— снижение роли и влияния человеческого фактора;
Таблица 4
Показатели эффективности по сравниваемым вариантам технологий
где Яэ — откорректированная по результатам станочного эксперимента объемная скорость эрозии; у — относительный линейный износ инструмента.
Так, при реализации операции 2 установлен линейный износ многоканального трубчатого ЭИ из латуни, равный 14 мм/паз, что при времени обработки 1 мин дает среднюю фактическую скорость эрозии ЭИ, равную 14 мм/мин. По результатам табл. 3 фактическая средняя скорость эрозии детали в направлении подачи ЭИ равна 5 мм/мин. Отсюда следует, что в данных условиях обработки
Показатель
Потребное количество оборудования
Количество типоразмеров оснастки
Параметр шероховатости поверхности Яа, мкм
Глубина измененного слоя, мкм Погрешность формы по высоте паза, мм
Трудоемкость, нормо-ч Затраты на инструмент, руб. Зарплата рабочих, руб.
Годовой экономический эффект, руб.*
Оборудование
ИВ-600 И8Б6-аТ
5 1
15 4
6,3 3,2
40-45 0,12 25-30 0,10
1496 50 600 191 520 187 74 800 23 940
1 720 600
*Без учета энергозатрат, затрат на амортизацию и ремонт оборудования и в расчете на выпуск двух моторокомплек-тов в месяц при 2-сменной работе.
х
[18
№ 3(69)/2012
— уменьшение количества типоразмеров оснастки в 3-5 раз;
— уменьшение количества типоразмеров электродов (6 вместо 13).
Технико-экономическая эффективность от реализации новой технологии иллюстрируется данными, представленными в табл. 4.
Литература
1. Саушкин Б. П. Состояние и перспективы развития электроэрозионных технологий и оборудования // Металлообработка. 2009. № 2. С. 33-41.
2. Электроэрозионная обработка изделий авиационно-космической техники / Ю. С. Елисеев, Б. П. Саушкин; под ред. Б. П. Саушкина. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. 456 с.
3. Электронный ресурс: www.winbrogroup.com
4. Золотых Б. Н. Физические основы электрофизических и электрохимических методов обработки. Ч. 1. М.: МИЭМ, 1975. 105 с.
5. Ставицкий Б. И. Электроискровая прецизионная обработка материалов. Научные основы особоточных методов формообразования поверхностей // Электронная обработка материалов. 2002. № 1. С. 5-32.
6. Гайлит Ю. Т., Саушкин Б. П. Технологическое обеспечение производства новых изделий // Крылья Родины. 2008. № 10. С. 35-40.
УДК 621.81.004.17
Экспериментальные исследования получения микрогеометрии
I V V
функциональных поверхностей деталей методом электроэрозионной обработки
В. А. Валетов, В. В. Медунецкий
В настоящее время в условиях рыночной экономики приборы с лучшей эргономикой и дизайном имеют конкурентное преимущество над аналогами при равных технических характеристиках. Происходит значительное усложнение геометрических форм изделий, что приводит к активному развитию технологий получения данных форм, будь то технологии литья или штамповки. При этом данные технологии были бы невозможны без формообразующих матриц, форма которых также усложняются в соответствии с формой изделия. Применение новых материалов накладывает определенные требования на качество разрабатываемых матриц. Стоит отметить, что к данным требованиям относятся: высокая твердость материала, его износостойкость, а также шероховатость поверхности матрицы, от которой напрямую зависит качество поверхности получаемой детали. Поэтому при изготовлении формообразующих матриц активно применяется электроэрозионное оборудование, которое вне зависимости от твердо-
сти материала способно придать необходимую форму изделию с заданной шероховатостью поверхности.
Рассматривая различное электроэрозионное оборудование, которое сейчас используется отечественными производителями, следует выделить, прежде всего, электроэрозионные прошивные станки. Принцип их работы заключается в том, что форма электрода-инструмента отображается в электроде-заготовке. Данный электрод-инструмент изготавливается индивидуально под конкретную задачу, и основным требованием к материалу заготовки является его электропроводность. Преимущество данного оборудования заключается в том, что на нем можно получить любой сложности форму с прямолинейными образующими и с заданным качеством поверхности. При обработке заготовок сложной формы зачастую используется несколько электродов. Сложная форма разбивается на более простые поверхности, для обработки которых изготавливаются свои электроды,
№ 3(65)/2012
