CC BY
105
электроэрозионная обработка, упрочнение и комбинированные процессы
УДК 621.9.047: 621.9.048
унифицированные технологии изготовления штампов с применением электрофизических методов обработки
Е. А. Митрюшин, Ю. А. Моргунов, С. Б. Саушкин
Ключевые слова: штампы для горячей объемной штамповки, электрохимическая обработка, электроэрозионная обработка.
В авиационном двигателестроении значительную долю продукции штампового производства составляют штампы для горячей объемной штамповки лопаток компрессора, в том числе штамповой оснастки для таких прогрессивных способов обработки пластическим деформированием, как изотермическая штамповка и высокоскоростное выдавливание. Получение точных штампованных заготовок, имеющих тонкие кромки и отвечающих высоким требованиям к материалу сердцевины и поверхностного слоя, является технологической задачей, которую относят к числу критических в данной области машиностроения.
Для изготовления штампов и вставок используются инструментальные, легированные и быстрорежущие стали, жаропрочные хро-моникелевые сплавы типа ЖС6К (штампы для изотермической штамповки). В технологическом процессе изготовления штампов наиболее сложными являются операции изготовления гравюры, трудоемкость которых обычно составляет 65-80% от общей трудоемкости изготовления штампа.
В условиях развитого производства штам-повой оснастки целесообразно применять наиболее эффективные технологии изготовления типовых элементов штампов [1]. Для этого используют основные принципы их унификации [2]:
• выявление однотипных элементов для группы конструктивно и (или) технологически схожих изделий;
• оценку технико-экономической эффективности применения альтернативных технологий их изготовления;
• проектирование унифицированных операций и технологических процессов на их основе.
Так, на предприятиях авиационного двига-телестроения разработаны и используются отраслевые стандарты, регламентирующие изготовление штамповых вставок для изотермической штамповки в виде типовых технологических процессов, включающих в себя операции
электроэрозионной и электрохимической обработки. Например, ОСТ 1.44442-90 регламентирует выбор экономически целесообразного метода изготовления штампа. Однако применение данного стандарта в производственных условиях затруднено из-за отсутствия в нем как общего подхода к решению данной задачи, так и конкретных материалов для расчетов.
Анализ технологичности чертежа штампа для изотермической штамповки типовой лопатки позволяет выявить следующие особенности:
• используется жаропрочный сплав на никелевой основе с коэффициентом обрабатываемости резанием Кр = 0,10 -г 0,12;
• имеются радиусы закруглений малой величины (Я = 2 г 5 мм), что затрудняет применение операций обработки резанием;
• точность изготовления рабочих участков гравюр штампов достигает ±0,02-0,05 мм, для штамповок обычной точности — ±0,05-0,20 мм, а шероховатость поверхности Яа = = 0,2-0,8 мкм.
Анализ показал, что вариант предварительной механической обработки гравюры и последующей слесарной обработки и доводки с учетом физико-механических свойств материала заготовки характеризуется высокой трудоемкостью и себестоимостью. Поэтому для изготовления гравюры используют операции электроэрозионной и электрохимической обработки [3, 4].
Целесообразность применения таких операций обусловлена следующими причинами:
• возможность обработки заготовок штампов, прошедших упрочняющую термообработку;
• более простой ремонт штампов в процессе их эксплуатации;
• достижение высокого качества гравюры, которое заметно снижает объем ручных доводочных работ;
• показанное повышение стойкости штампов в 1,5-3,0 раза при внедрении операции финишной электрохимической размерной
обработки (ЭХРО) вместо механообработки, а также при электроэрозионном упрочнении (легировании) быстро изнашивающихся элементов штампа. Это обеспечивает экономию материальных и трудовых ресурсов в производстве штампов [5].
Типовой технологический маршрут изготовления вставок лопаточных штампов, в состав которого включены все рекомендуемые альтернативные варианты обработки отдельных поверхностей, представлен в табл. 1. В нем отражены наименования и содержание операций, последовательность их выполнения. Типовой маршрут предполагает наличие множества возможных путей достижения цели. Таким образом, возникает задача оптимизации, которую часто сводят к выбору наилучшего в данных производственных условиях варианта технологии по заданному критерию.
Для решения этой задачи табл. 1 представляют в виде развернутого графа и находят в нем критический путь, то есть выбирают такую технологию, которая обеспечивает минимальную себестоимость или трудоемкость изготовления штампа данного типоразмера. Для этого для каждой дуги графа нужно указать соответствующую цифру, означающую стоимость конкретной операции, и найти критический путь, сравнив суммарную себестоимость каждого варианта технологии.
Подобные расчеты легко автоматизировать при наличии данных для экспресс-оценки себестоимости отдельных операций. Обычно в процессе предварительного определения оптимального варианта технологии используют данные стоимости станко-часа работы на отдельных станках. В этом случае стоимость отдельных работ оценивают, предварительно рассчитав трудоемкость отдельных операций.
Так, оценка значений машинного времени на операциях предварительной обработки направляющих отверстий тремя различными методами показывает, что если для производства стальной заготовки обработка резанием таких отверстий, безусловно, выгоднее, то в случае с заготовкой из сплава на никелевой основе можно рассматривать и оценивать альтернативные варианты. На основе технико-экономических расчетов разработаны методика и алгоритм выбора маршрутных технологических процессов изготовления штампа по критерию минимальной себестоимости (см. рисунок).
При составлении структурной формулы конкретного штампа, позволяющей идентифицировать его, за основу была взята следующая классификация:
• конструкция штампа (сборный — 1; цельный — 0);
• материал штампа (легко обрабатывается резанием — 1; трудно обрабатывается
Таблица 1
Порядковый номер, обозначение, наименование и содержание операции
Операция Обрабатываемая поверхность
Порядковый номер Обозначение Наименование
005 Т00 Заготовительная Отливка призматической или цилиндрической заготовки с последующей термообработкой
010 Тц Разметка Разметка и сверление транспортных отверстий
010 Т21 Т22 Фрезерная Токарная Обработка наружного контура и подготовка баз
015 Т31 Шлифовальная Обработка плоскости базового основания
025 Т41 Т42 Т43 Фрезерная Электроэрозионная Электрохимическая Обработка канавок и пазов
030 Т51 Т52 Т53 Сверлильная Электроэрозионная Электрохимическая Предварительная обработка направляющих отверстий
035 Т61 Т62 Расточная Сверлильная Окончательная обработка направляющих отверстий
040 045 Т71 Т91 Контроль Контроль -
045 Т81 Т82 Т83 Фрезерная Электроэрозионная Электрохимическая Предварительная обработка гравюры
050 Т91 Шлифовальная Шлифовка плоскости разъема в размер
055 Т101 Слесарная Шлифовка и полировка гравюры окончательно
060 Т121 Контроль -
Начало
Ввод
_) ^ исходных данных
Выбор критерия эффективности
Выбор правила предпочтения
Ввод годового объема выпуска
Ввод площади гравюры штампа
Ввод глубины обработки
Расчет себестоимости по вариантам
Выбор наилучшего варианта
Составление структурной формулы
Блок данных
Ввод шифра
Вывод ТМ на экран
Вывод технологического маршрута
Оценка эффективности технологии
Оформление тех. документации
<
Конец
J
Блок-схема алгоритма структурной оптимизации технологического процесса изготовления штампа по критерию минимальной себестоимости
резанием — 0 (предел прочности св — не менее 800 МПа);
• поперечное сечение штампа (прямоугольник — 1; круг — 0);
• наличие отверстий для транспортировки (есть — 1; нет — 0);
• степень сложности гравюры (неглубокая (до 5 мм), без малых радиусов кривизны — 1; глубиной 5-10 мм, имеются полочные выемки глубиной до 20 мм, радиусы кривизны невелики — 2; глубиной более 10 мм, локальные выемки или выступы малой кривизны, перепады высот более 10 мм — 3).
Каждый технологический процесс, указанный в банке данных, регистрируется в виде пятизначного шифра (например, 10102), который вводится в программу. При наличии в банке данных заведомо оптимального (типового или группового) технологического процесса его адаптируют для обработки конкретного объекта автоматически или вручную.
При отсутствии аналогов или прототипов в банке данных составляется перечень альтернативных маршрутов методом комбинаторики с использованием системы ограничений на применение отдельных методов, связанных с размерами обрабатываемого элемента конструкции. Если существуют альтернативные маршруты, то выбирают вариант, наилучший по критерию минимальной себестоимости обработки. Для этого используется подсистема инструментального обеспечения, содержащая сведения о стоимости инструментов, стойкости, допускаемом количестве переточек и их стоимости, подсистеме оборудования с данными по удельной стоимости эксплуатации и обслуживания отдельных станков.
Для альтернативных вариантов изготовления штампа усредненных размеров из жаропрочного сплава ЖС6К выполнена сравнительная технико-экономическая оценка (табл. 2). Рассмотренные варианты технологии изготовления гравюры предполагают использование такого оборудования, как электрохимический станок ЭТМ-200К (Владимирский станкозавод), электроэрозионный станок Agietron Compact 2 (Agie) и фрезерный станок с ЧПУ HAAS VF-6/40 (Haas Automation Inc.).
Видно, что стоимость изготовления элементов штамповой оснастки, для которых целесообразно рассматривать применение альтернативных вариантов, заметно зависит от выбранного варианта технологического процесса. Наибольший эффект от снижения себестоимости
Таблица 2
Приведенные затраты на изготовление основных элементов штампа
Показатель Обработка
электроэрозионная электрохимическая фрезерная с ЧПУ
Трудоемкость изготовления одного штампа, ч 30 6,6 60
Себестоимость 1 ч работы оборудования, руб./ч 665 842 772
Годовой объем выпуска продукции, шт. 100 100 100
Приведенные затраты, млн руб. 8,44 6,8 8,83
изготовления штампов достигается при применении электрохимической обработки гравюры.
Электроэрозионная и электрохимическая обработки методом объемного копирования требуют использования дорогостоящего инструмента. В ряде случаев целесообразно комбинировать рассматриваемые альтернативные операции, применяя для предварительного удаления больших объемов материала электроды — инструменты простой геометрической формы. Таким инструментом снимают основной припуск, последующую обработку поверхности проводят на электроэрозионном или фрезерном станке. Это позволяет существенно сократить суммарную трудоемкость изготовления гравюры. Перспективным направлением в деле создания унифицированных технологий ЭХРО гравюры пера является разработка инструментов с изменяемой формой рабочей поверхности.
К настоящему времени обоснована целесообразность применения в штамповом производстве трехкоординатных электроэрозионных и электрохимических станков с ЧПУ, на которых установлен универсальный стержневой вращающийся инструмент [6]. Такого рода операции выгодно применять при изготовлении сложноконтурных поверхностей небольших размеров и окончательной доводке профиля.
Следовательно, в условиях мелкосерийного инструментального производства оправдано освоение групповых технологий изготовления штамповой оснастки со схожими технологическими признаками, эффективно используя операции ЭХРО и ЭЭО для структурной оптимизации технологий. С учетом годовой программы выпуска штампов, геометрических параметров обрабатываемого элемента штампа определяют себестоимость отдельных операций и выбирают ту из них, которая обеспечивает минимальную себестоимость.
В связи с известным влиянием параметров качества поверхностного слоя на стойкость штамповой оснастки рекомендуется вводить операции отделочной или упрочняющей обработки гравюры. Для этой цели разработаны специальные технологии [5, 7].
Таким образом, полученные результаты позволяют рационально подходить к разработке эффективных технологий для изготовления
штамповой оснастки из труднообрабатываемых или термически упрочненных материалов. Реализация таких технологий заметно упрощается в связи с появлением на рынке многоцелевых станков, обеспечивающих с одной установки обработку элементов штампа различными физико-химическими методами [8]. Существуют фрезерно-электроэрози-онные, электроэрозионно-гидроабразивные, электроэрозионно-электрохимические, элек-троэрозионно-лазерные станки. Их эффективное применение на участках изготовления штамповой оснастки — вопрос ближайшего будущего.
Литература
1. Кравец А. Т. Работы по созданию автоматизированного производства штампов и пресс-форм // Электронная обработка материалов. 1994. № 1. С. 19-21.
2. Митрофанов С. П. Особенности групповой технологии механической обработки в современных условиях // Металлообработка. 2001. № 2. С. 4-8.
3. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей: Уч. пос. / Под ред. Б. П. Саушкина. М.: Дрофа, 2002. 656 с.
4. Бойцов А. Г., Ковалев А. П., Хворосту-хин Л. А. и др. Процессы механической и физико-химической обработки деталей авиационных двигателей. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 596 с.
5. Тимощенко В. А. Использование электроэрозионного легирования в комплексе мер повышения износостойкости разделительных штампов // Электронная обработка материалов. 2000. № 4. С. 12-16.
6. Бойцов А. Г., ^кмакова Т. В. Исследование обработки типовых поверхностей и элементов деталей электроэрозионным фрезерованием // Ракетно-космические комплексы. 2005. № 2. С. 25-28.
7. Ширяев В. Ю., Плаксин В. А., Сауш-кин Б. П. Финишная электрохимическая обработка полостей крупногабаритных штампов и пресс-форм // Электронная обработка материалов. 1995. № 2. С. 3-6.
