CC BY
63
УДК 621.9
В.И. Новиков, С.Л. Мурашкин, А.И. Фоломкин
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННЫМ МЕТОДОМ
Эффективность изготовления конкурентоспособной по основным показателям надежности и долговечности деталей турбин в настоящее время может обеспечиваться за счет постоянного совершенствования технологии обработки заготовок, в том числе технологии финишной обработки.
Технологическая подготовка производства таких сложных и оригинальных деталей турбин, как лопатка, основана на технологии, в значительной степени отличающейся от последовательности изготовления других деталей машин [1]. Особенностями всех турбинных лопаток при весьма большом количестве их разновидностей являются сложность геометрии как рабочей части, так и хвоста лопатки, а также низкая жесткость рабочей части. Кроме того, для обеспечения надежности, долговечности, ремонтопригодности и других эксплуатационных свойств турбины к конструкциям лопаток и к состоянию их поверхности предъявляют жесткие технические требования. Шероховатость поверхностей рабочей части и переходных галтелей обычно задается в пределах Яа = 1,25— — 0,32 мкм, а шероховатость профильных поверхностей хвостов лопаток — Яа = 1,25—0,63 мкм.
В технологическом процессе изготовления лопаток широко используются сложные средства технологического оснащения, включающие станки, режущий инструмент, измерительные приборы и т.д., которые должны обеспечить предъявляемые к изделию технические требования.
Высокая точность и качество поверхностного слоя лопаток обеспечиваются на чистовых и финишных операциях технологического процесса. В связи с этим в цикле подготовки производства этим операциям отводится значительная часть времени. После фрезерования поверхности рабочей части лопаток шлифуют, время обработки одной лопатки может достигать нескольких часов. Шлифование может выполняться двумя спосо-
бами: протяжкой бесконечной ленты между копиром и обрабатываемой поверхностью, а также обкатыванием шлифовального круга по обрабатываемой поверхности.
Известно, что в поверхностном слое после шлифования можно выделить как бы три слоя [2, 3]: граничный — толщиной 2- 3 А , состоящий из адсорбированной пленки газа; второй, представляющий собой рыхлый деформированный слой толщиной 80 А, состоящий из окислов, нитридов и металла, обезуглероженного действием высоких температур, развивающихся при шлифовании; третий слой толщиной около 5 мкм, который состоит из деформированного и подвергнутого нагреву металла. Кроме того, высокие мгновенные температуры, развивающиеся при шлифовании стали, могут привести к появлению прижогов и трещин.
Для дальнейшего снижения шероховатости поверхности и уменьшения толщины дефектного слоя сложнопрофильных поверхностей лопаток существует целый ряд различных методов обработки, в том числе электрохимическое, химическое, механическое полирования, однако процесс получения заданной шероховатости поверхности — трудоемкий, дорогостоящий, а зачастую затруднительный, особенно при использовании экологически чистых методов обработки материалов.
В силу сложной геометрии лопаток турбин и их невысокой жесткости полирование механическими методами требует специального технологического оборудования и инструмента или же выполняется слесарными методами, что приводит к значительному увеличению себестоимости изделия. Кроме того, при проектировании механической полировальной операции необходимо учитывать, что лопатки турбин имеют невысокую жесткость, и точность обработки в значительной степени будет зависеть от наличия применяемых приспособлений, режимов полирования и инструмента. Проведенные ав-
торами исследования показали, что перемещения при механическом полировании в зависимости от конструкции лопатки могут составлять 100 мкм и более, что отрицательно может сказаться на качестве готового изделия.
Для абразивно-жидкостного полирования характерна малая производительность и небольшая толщина снимаемого припуска. Этот метод используется главным образом для глянцевания рабочих поверхностей лопаток. Оно выполняется в камере, через форсунку которой на полируемую поверхность подается воздушная смесь жидкости с абразивными зернами.
Для магнитно-абразивного полирования используются порошки, обладающие абразивными и ферромагнитными свойствами, стойкость которых ограничена. Качество получаемой поверхности в этом случае зависит от качества и размеров абразивных зерен. Кроме того, при магнитно-абразивной обработке требуется организация взаимного перемещения заготовки и абразивных зерен, сложность чего зависит от геометрии обрабатываемой поверхности.
При электрохимическом полировании происходит направленный съем металла с поверхности лопатки, которая служит анодом, и это сопровождается копированием поверхностей катода. Для данного процесса требуется создание электрода-инструмента, повторяющего профиль обрабатываемой детали. Кроме того, это экологически неблагоприятный метод, ибо происходит с применением токсичных электролитов.
Один из путей совершенствования технологического процесса изготовления турбинных лопаток — применение такого современного метода, как электролитно-плазменное полирование. По сравнению с вышеописанными методами электролитно-плазменное полирование (ЭПП) — высокоэффективный процесс обработки изделий из токопроводящих материалов в нетоксичных средах, имеющий более высокие экологические и экономические показатели. Наиболее близко к ЭПП по получаемым параметрам качества обрабатываемой поверхности и технологическому оснащению электрохимическое полирование, но, в отличие от него, в электролитно-плазменной технологии используются экологически безопасные водные соле-
вые растворы, которые в несколько раз дешевле токсичных кислотных компонентов.
Сущность электролитно-плазменного полирования заключается в том, что при пропускании через водный раствор электролита электрического тока у одного из электродов происходит интенсивное парообразование. Образующиеся пузыри экранируют электрод, формируя газовую анодную оболочку, уменьшая площадь соприкосновения электрода с электролитом, повышается плотность тока вплоть до полного разрыва электрохимического контакта между электролитом и электродом. При этом прохождение тока через газовый промежуток происходит в виде электрического разряда с образованием вокруг электрода ионизированного пароплазменного слоя. Характер электрического разряда и результаты воздействия его на электрод существенно зависят от полярности приложенного к нему напряжения. На аноде образуется тонкая светящаяся ионизированная оболочка, устойчиво существующая при определенных условиях. При этом электрод не нагревается выше температуры электролита, а с его поверхности удаляется слой материала.
На основании многолетних экспериментов по калориметрированию тепловых потоков из газовой анодной оболочки в анод-заготовку и электролит, а также проведенных расчетов теплового баланса процесса ЭПП построена конечно-элементная модель распределения теплового поля при воздействии разряда на поверхность заготовки. Для чего была рассчитана мощность одного разряда, воздействующего на вершину гребешков шероховатости обработанной поверхности. Энергию разряда можно определить из уравнения баланса энергии:
^разр = ™разр£ = (^ГАО - #ГАО-ан - ^ГАО-жид) (1)
где wразр — плотность энергии разряда, Вт/м2; ^гао-ш — плотность теплового потока в заготовку-анод (данная величина определена экспериментально в процессе калориметрирования и составляет 38000 Вт/м2); #гао-жвд — плотность теплового потока в электролит, Вт/м2; WгАo — плотность энергии в газовой анодной оболочке, Вт/м2; Я — обрабатываемая площадь, м2.
При электролитно-плазменном полировании газовую анодную оболочку можно рассматривать как пленочное кипение жидкости на
поверхности металлического анода. Плотность теплового потока при пленочном кипении можно оценить по формуле
#ГАО -жид " = а(/п - /ж),
(2)
а = Nu Хж/Х
(3)
где № — число Нуссельта; X — характеристическая длина анода, м; Яж — коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м- °С);
Nu = 0,25(3рпар (рж - Рпар)дСрпар) /
/ ^
1
парпар'
(4)
Плотность энергии в парогазовой оболочке равна
Wao = WrA0 /S = ЯТАО1 2/S
(5)
где — температура газовой анодной оболочки, °С; /ж — температура жидкости, °С; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 °С).
Исходя из теплового равновесия между анодом и оболочкой температура газовой анодной оболочки принимается равной температуре анода. В проведенном эксперименте температура анода составила 112 °С, температура электролита — 95°С. Коэффициент а находится из выражения
где рпар = 0,5863 — плотность пара, кг/м3; g = = 9,8 — ускорение свободного падения, м/с2; Рж = 970,5 — плотность жидкости, кг/м3; Ср пар = = 2060 — удельная теплоемкость пара, Дж/(кг °С); ¡апар = 1,27-10-5 — динамическая вязкость пара, Н-с/м2; Хпар = 0,0246 — коэффициент теплопроводности пара, Вт/(м °С).
где ЛГАО — сопротивление газовой анодной оболочки, Ом; I — сила тока, А.
Тогда с учетом (2)-(5) выражение (1) дает значение Wразряд = 227 Вт.
Основываясь на профилограмме поверхности до полирования, создали конечно-элементную модель обрабатываемой поверхности размером 0,1г0,8 мм, в самой верхней точке которой приложена рассчитанная мощность разряда. Размер конечно-элементной сетки изменяется от 0,01 мм в основании до 0,00005 мм на профиле шероховатости.
Распределение температуры в поверхности (рис. 1), полученное с помощью программы конечно-элементного моделирования ANSYS 11, показало, что температура в поверхности изменяется от 3100 до 92 °С, т. е. за время 10-610-4 с существуют три температурные зоны: выше 2800 °С - испарение; от 2800-1400 °С -жидкая фаза; ниже 1400 °С — твердое тело. Таким образом, 0,08 мкм — это испаренный металл; 0,4 мкм — расплавленный; 1,42 мкм — отпущенный слой материала, где наблюдается 10 %-е изменение микротвердости полированного материала. Данные модели подтверждаются экспериментальными, полученными на атомно-силовом сканирующем зондовом микроскопе Solver P47-PRO снимками поверхности образца из стали 30ХГСА после ЭПП (обработка произ-
32.GD5
=27.23
10 96
17 S о
21СС
2435
3104
Рис. 1. Распределение теплового поля в обрабатываемой поверхности
А
Рис. 2. Топография поверхности пера лопатки после ЭПП
водилась в течение 30 секунд в водном растворе сернокислого натрия концентрацией 0,2 моль/л при напряжении 300 В). На полированной поверхности (рис. 2, выноска А) явно прослеживается наличие лунок диаметром « 0,6—0,8 мкм от
разрядного воздействия. Время, необходимое для достижения шероховатости Ra = 0,14 мкм, рассчитанное по построенной модели, составляет примерно 175 с, а экспериментальное — 190 с, что подтверждает адекватность предлагаемой модели.
Предлагаемая модель теплового поля необходима для проведения технологических расчетов и позволяет оценить величину снимаемого материала и время, необходимое для достижения требуемого уровня шероховатости полируемой поверхности, определить зону температурного влияния, а так же произвести оптимизацию процесса электролитно-плазмен-ного полирования.
Проведенные исследования показали, что применение метода электролитно-плазменного полирования снижает время на обработку таких сложных в производстве изделий, как турбинная лопатка, в два раза при значительном снижении термических и полном отсутствии силовых воздействий на обрабатываемую заготовку.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шишов, Г.А. Технология производства турбин [Текст ] / Г.А. Шишов, С.Ю. Михаэль, Ю.М. Зубарев, В.И. Катенев.- СПб.: Изд-во СПИМаш, 1998.— 191 с.
2. Маслов, Е.Н. Теория шлифования материалов [Текст] / Е.Н. Маслов.— М.: Машиностроение, 1974.— 320 с.
3. Сипайлов, В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности [Текст] / В.А. Сипайлов.— М.: Машиностроение, 1978.— 168 с.
4. Ушомирская, Л.А. Особенности чистовой обработки турбинных лопаток [Текст ] / Л.А. Ушомирская, А.И. Фоломкин, В.И. Новиков // Металлообработка.— 2008. № 4.— С. 19-21.
УДК 519.1: 655.1
Иванов А.В., Ваганов В.В, К.А. Котов
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ РАСЧЕТ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ ЗАКАЗОВ НА ПОЛИГРАФИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Полиграфическое производство характеризуется большим разнообразием выпускаемой продукции и различными технологиями, применяемыми при ее изготовлении. В издательской и полиграфической отрасли на новом витке развития полиграфии происходят существенные качественные и количественные преобразования. За счет появления и развития
цифровой технологии упрощается набор текста, возрастает скорость обработки текста и изображений, повышается качество изображений, что способствует гибкости и управляемости производственного процесса [1-3]. При управлении этапами реализации полиграфических заказов возникает задача диспетчеризации этих заказов, что в общем случае требует решения оптимиза-
