CC BY
57
УДК 621.9.047
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАНАЛОВ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ КОМБИНИРОВАННЫМИ МЕТОДАМИ
А.И. Болдырев, Г.А. Сухочев, С.Н. Коденцев, Е.Г. Смольянникова
В статье представлена технология высокопроизводительного получения профильных полостей и каналов комбинированными методами. Показаны возможности комбинированного воздействия для предлагаемых методов обработки, приведены результаты экспериментальных исследований, методики выбора оптимальных режимов, показана практическая реализация предложенной технологии
Ключевые слова: комбинированная обработка, эрозионная обработка, термически активное покрытие, каналы
Объектом исследования для лопаточных деталей с каналами малого сечения являются мелкоразмерные турбины, применяемые в различных агрегатах для транспортирования, жидких, газообразных и газожидкостных рабочих сред в промышленном производстве, в добывающих отраслях и авиационно-космической технике. Каналы таких деталей имеют различную геометрию, постоянное и переменное сечение. К ним предъявляются повышенные требования по чистоте обработки и работоспособности поверхностей в условиях высокочастотных вибраций и больших градиентов температур, что обеспечивает минимальное сопротивление движению перемещаемых рабочих сред. К тому же, малые размеры сечений (2-3 мм) не позволяют достаточно эффективно использовать традиционные средства металлообработки и контроля показателей качества при профилировании канала [1].
Предложена технология интенсификации электроискровой обработки путем нанесения на электрод-инструмент слоев материалов, способных создавать кумулятивный эффект. Наиболее подходящим для такого вида обработки является изготовление электродов с покрытием цинком [2].
При выборе рабочих сред для электроэрози-онной обработки наибольшее использование нашли: керосин; вода дистиллированная; вода техническая (для комбинированной эрозионно-химической обработки); углеводородные составы (минеральное масло и др.). Все рабочие среды имеют свою область
Болдырев Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. (473) 253-09-73
Сухочев Геннадий Алексеевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 258-37-15
Коденцев Сергей Николаевич - ОАО КБХА, канд. техн. наук, главный инженер ЗРД, тел. (473) 263-42-90 Смольянникова Евгения Геннадьевна - ВГТУ, инженер, тел. 8-904-214-79-78
использования, в том числе при их подготовке, например деионизацией.
На рисунке 1 представлены технологические показатели некоторых рабочих сред. За базовый показатель принят случай (А) обработки в керосине. Дистиллированная вода (Б) является более доступной и приемлемой (с точки зрения охраны труда и промсанитарии) и при незначительной модернизации оборудования может быть заменена промышленной, которая становится слабым электролитом. Тогда процесс будет протекать с участием электрохимической составляющей, то есть ионов водорода и кислорода, которые усиливают локальную токо-проводимость в межэлектродном зазоре.
Используемая промышленная вода может иметь (в зависимости от наличия в ней солей) различные диэлектрические свойства. Если постоянная ионизации воды больше 0,68 (моль/кг)2, то необходимо выполнять деионизацию. В случае низкой постоянной производят ионизацию, что необходимо для усиления «поджига» комулятивного источника энергии. Если увеличить проводимость сверх указанного уровня, то процесс переходит в область комбинированной эрозионно-химической обработки, при которой локальный нагрев покрытия становится невозможным. Подобный эффект достигается при ионизации дистиллированной воды (В), где при небольшой глубине скорость обработки значительно (в 1,5-2,0 раза) возрастает по сравнению с обычной дистиллированной водой. Но при этом увеличиваются неровности (рис. 1, 2; В и 2; А), глубина измененного слоя (рис. 1, 3; В и 3; А).
Использование углеводородных сред на основе масел (рис. 1, Г) позволяет повысить качество поверхностного слоя (рис. 1, 2, 3; Г), но уменьшает скорость съема металла (рис. 1, 1; Г). Преимуществом таких сред является высокая температура возгорания (400-450 К), что снижает требования по пожа-
робезопасности, особенно при больших объемах ванн.
19
155
138
10 10 10
078 0,8 0,7
1 2 3 1 2 3
0,707
0,53 04
1 2 3
В
Г
Рис. 1. Технологические показатели электроэрози-онной обработки в различных рабочих средах (глубина обработки 1 мм):
А - керосин; Б - вода дистиллированная; В - вода ионизированная; Г - углеводородные составы (масла); 1 -производительность съема; 2 - высота неровностей; 3 -глубина измененного слоя
Вязкость рабочих сред влияет на производительность при различных глубинах обработки (рис. 2). На рисунке 2 оказана скорость подачи электрода при прошивке каналов и получении пазов проволочным электродом-инструментом диаметром 0,2 мм из латуни ЛС62.
Скорость подачи инструмента мм
2,0
1,5
10
0,5
0
«»««>»««
' н----------------1 + I
І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І I
10
20 25 Глубина зоны
обработки, мм
Рис. 2. Изменение скорости обработки при различной глубине паза (канала):
1 - обработка в среде керосина; 2 - в углеводородной среде на основе масел; 3 - ионизированная вода
Здесь не выявлено особых преимуществ даже у ионизированной воды (3 на рисунке 2), что объясняется переходом ионов в молекулы и утратой достоинств ионизированной среды перед керосином и маслами. Следует ожидать, что показатели углеводородных средств будут возрастать (2 на рис. 2) с увеличением сечений инструмента, но для малых сечений инструмента достоинства рабочих сред на основе воды очевидны.
Технологические показатели процесса обработки. Для электродов с покрытием требуется повышенное напряжение в пределах 100-130 В, что не выходит за пределы рекомендаций [2] по напряже-
нию на стадии черновой обработки. В рабочем диапазоне импульсов скорость удаления припуска для электродов с покрытием до 10-15 раз выше, чем без покрытия. Этот показатель ограничен необходимостью получения качественного поверхностного слоя, что обеспечивается использованием инструмента или его части для калибровки участком электрода без покрытия.
Обработка проводилась без принудительной прокачки жидкости. Осредненная по глубине скорость подачи изменяется с изменением площади сечения обрабатываемого участка практически обратно пропорционально этому показателю. Электрод, рассчитанный с учетом покрытия цинком с переменной толщиной (до 50 мкм на начальном участке), позволяет интенсифицировать процесс, увеличивая подачу до 11-12 раз (при малых энергиях разряда).
Шероховатость поверхностного слоя при интенсификации процесса возрастает за счет глубины единичных лунок. При использовании электродов с покрытием часть лунки на детали формируется за счет импульса энергии, другая - из-за кумулятивного действия теплового факела. В результате возникает углублении с большим, чем при использовании электрода без покрытия, диаметром и глубиной неровностей. На рисунке 3 показано изменение высоты неровностей в рабочем диапазоне энергии импульса.
Высота неровностей при обработке электродами с покрытием на порядок и более превышает шероховатость, полученную на «мягких» режимах обработки электродами без покрытия. Расхождение расчетных (зависимость 3 на рис. 3) и экспериментальных (2) результатов объясняется изменением соотношений между радиусом лунки и ее глубиной, а также расхождением значений коэффициентов перекрытия лунки при различных энергиях формирования углублений. Более широкая лунка в зависимости 3 снижает вероятность появления разрядов в месте сопряжения углублений от соседних импульсов, что повышает выступ на обрабатываемой поверхности. Это подтверждается характером зависимости 3, где в определенном диапазоне энергии наблюдается изменения кривой сначала в сторону увеличения, затем к расчетной зависимости.
При использовании предложенных конструкций электродов-инструментов с покрытием калибровка поверхности происходит при действии части электрода без покрытия, что обеспечивает получение шероховатости Яа в пределах 3-5 мкм, что отвечает требованиям чертежа к межлопаточным каналам. Если использовать калибрующие операции на «мягких режимах», то можно получить поверхности
с Яа = 0,3-0,5 мкм. Одним из методов получения каналов с высоким качеством является применение комбинированного способа упрочнения [3] с наложением электрического поля, что позволяет достичь шероховатости Яа = 0,32-0,63 мкм.
’ ’ ’ ’ ’ импульса, Дк
Рис. 3. Изменение высоты неровностей при обработке электродами из латуни без покрытия (1) и с покрытием цинком (2): 3 - теоретическая зависимость
На усталостную прочность деталей большое влияние оказывает измененный слой, углубления которого являются концентраторами напряжений. Результаты исследований показывают, что глубина микрорастравливаний в 1,2-1,6 раза выше по сравнению с глубиной лунки. Однако эксперименты показывают, что такое соотношение справедливо только для больших энергий импульса, причем оно заметно проявляется для разрядов с энергией более
1 Дж (рис. 4). Величина микротрещин составляет до
0,03 мм. При этом воздействие теплового факела при кумулятивном эффекте вызывает дополнительные нарушения качества поверхностного слоя (2 на рис. 4) только в области малых энергий импульса. Далее такой эффект не оказывает влияния и глубина микротрещин становится одинаковой как в случае действия импульса тока, так и при последующем тепловом воздействии (1, 2 на рис. 4).
Проведенные исследования показали, что при последующей полировке гальваническим методом удается снизить величину микротрещин до 4-5 мкм. При механическом упрочнении с наложением тока глубина микротрещин может быть снижена до 2-3 мкм или это явление практически устраняется.
Точность формообразования. При электро-эрозионной обработке основные погрешности появляются из-за износа электрода-инструмента. Величина износа зависит от многих причин, но основное влияние оказывают теплофизические характеристики материала (температура плавления и др.). Для латунного электрода износ составляет 10-30%, для цинка - 70-90% от объема снятого материала.
Рис. 4. Глубина микротрещин при обработке жаропрочных сталей электродом без покрытия (1) и с цинковым покрытием (2)
При использовании латунного электрода с покрытием износ снижается на порядок и более, так как основная часть (до 80%) материала заготовки снимается за счет комулятивного эффекта, а повышенная эрозия цинкового покрытия за счет обратной полуволны тока, отнесенная к общему съема материала с анода, дает относительный износ не более 2-4%. Это ниже, чем при использовании меднографитовых инструментов, применяемых при прошивке. За счет этого погрешность при обработке снижается до 0,005-0,001 мм. Полученные результаты находят использование при прошивке пазов, в частности, в случае изготовления межлопаточных каналов турбонасосных агрегатов.
Выбор электрода-инструмента. При выборе материала для инструмента принята латунная основа с цинковым, освоенным на промышленных предприятиях, покрытием. Известны положительные результаты нанесения на латунь более дорогого кадмия. Узкие (менее 2 мм) каналы и пазы (ширина до 0,3 мм) можно обрабатывать только на режимах с энергией импульса не более 0,5 кДж. Покрытие увеличивает размеры сечения, но, учитывая, что он в процессе обработки удаляется в первую очередь, ограничение его предельной толщины следует считать технологические возможности получения качественных покрытий электрода и геометрические размеры покрытия на электроде. Известно, что качественные гальванические покрытия цинком внутренних поверхностей составляют до 30 мкм, хотя технически возможно осаждение функциональных покрытий толщиной до 150 мкм и более.
Практика использования эрозионно-термической обработки. Область межлопаточного канала, подлежащая прошиванию, является условно
открытой, т.е. формообразование возможно только в одном направлении и применение электродов, используемых при электроэрозионной обработке турбин без бандажа, технологически не реализуется. Вследствие этого процесс формообразования разделяется на два этапа: черновое прошивание и чистовые проходы, окончательно формирующие геометрию поверхности лопаток турбины.
Введение специально спрофилированного чернового электрода, позволяет максимально выбрать зону прошивания, оставляя лишь припуск на чистовой проход. Это дает возможность снизить время работы электродов, что в конечном итоге значительно сокращает технологический цикл обработки, поскольку черновой проход ведется при повышенных значениях разрядного тока (до 5А). Уменьшение зоны обработки в свою очередь приводит к уменьшению износа чистовых электродов, следовательно, к повышению точности профиля лопаток. Для черновых режимов величина разрядного тока была выбрана в пределах 5-5,5 А. Для чистовых проходов в канале величина разрядного тока на последних участках траектории, непосредственно формирующих поверхность лопатки, составляла 1А. Использование кумулятивного эффекта эрозионно-термической обработки на этапе предварительного прошивания позволяет снизить общее время обработки с 32-х на 4-5 смен, что сокращает технологический цикл изготовления агрегата в целом. На рисунке 5 показано начало формообразующей обработки каналов в цельном рабочем колесе турбины. на различных режимах: ток 2А (прошивание 6 часов) и ток 5А (прошивание 2 часа).
Вывод. Применение эрозионно-термической обработки позволило решать технологические проблемы, возникающие в процессе запуска в производ-
Рис. 5. Начало чистового этапа формообразующей обработки каналов
водство новых ракетных двигателей. Испытания турбин на эксплуатационных режимах показали увеличение предела усталостной прочности до 60%.
Литература
1. Сухочев Г. А. Управление качеством изделий, работающих в экстремальных условиях при нестационарных воздействиях / Г. А. Сухочев. - М.: «Машиностроение», 2004. - 287 с.
2. Технологии производительного формирования комбинированными методами поверхностей полостей и каналов под нанесение защитных покрытий / Г.А. Сухо-чев, Е.Г. Смольянникова, С.Н. Коденцев, Д.М. Небольсин // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2009. - № 11(59). - С. 49-54.
3. Болдырев А.И. Обеспечение заданного качества поверхностного слоя каналов комбинированной обработкой / А.И. Болдырев // Известия ОрелГТУ. - 2009. - № 2-3/274(560). - С. 59-63.
Воронежский государственный технический университет ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (г. Воронеж)
TECHNOLOGY OF RECEPTION OF CHANNELS OF THE COMPLEX STRUCTURE
THE COMBINED METHODS
A.I. Boldyrev, G.A. Suhochev, S.N. Kodentsev, E.G. Smolyannikova
In work the technology of high-efficiency reception of profile cavities and channels is presented by the combined methods. Opportunities of the combined influence for offered methods of processing are shown, results of experimental researches, techniques of a choice of optimum modes are resulted, practical realization of the offered technology is shown
Key words: the combined processing, erosive processing, thermally active covering, channels
