Методическое пособие 778

лес турбин и крыльчаток, как наиболее нестационарно нагружаемых составляющих ротора. Сложная силовая схема знакопеременных нагрузок, воздействующих на поверхность лопаточной детали ротора, способствуют тому, что некоторые элементы конструкции работают в области упругопластических деформаций. Требуемая долговечность лопаточных деталей при обеспечении циклической усталостной прочности при высоком уровне напряженности элементов конструкции достигается устранением остаточного дисбаланса, наследованного от предыдущих этапов изготовления ротора.

Негативное влияние на качество поверхностного слоя и усталостную прочность лопаточной детали оказывают механическая зачистка фрезами и обработка абразивом по принципу получения минимальной шероховатости в этих местах. Неорганизованное ручное снятие излишков материала образует в тонких приповерхностных слоях структурную неоднородность, приводит к шаржированию, образованию остаточных напряжений растяжения и появлению поверхностных и приповерхностных микротрещин, изначально слабо проявляющихся. По мере наступления усталости материала при малоцикловых нагружениях в водородосодержащих средах они сливаются в макродефекты в местах наибольшей концентрации при видимом отсутствии разрушений на поверхности [5].

Разрешить этот научно-технический вопрос предполагается разработкой методики технологического сохранения работоспособного состояния поверхностей деталей ротора на всех этапах его доводки, включая динамическую высокочастотную балансировку, метод локального выравнивания физикомеханического состояния поверхностей лопаточных деталей после балансировочной зачистки, и введением этой операции в комплексный технологический процесс доводки ротора динамической балансировкой.

Анализ технологии балансировки турбин выявил, что нестабильное снятие лишнего (по результатам балансировки) материала вручную приводит к структурной неоднородности на поверхности локальных участков зачистки. Образуются остаточные напряжения положительного знака, дефектные зоны с микротрещинами, являющихся концентраторами межкристаллитной коррозии при контакте с водородом. При малоцикловых нагрузках в зонах наибольшей концентрации микротрещин в присутствии водорода и происходит лавинообразная деструкция и усталостное разрушение материала.

Для борьбы с этим явлением предложен способ комбинированной обработки нарушенных участков поверхностей деталей токопроводящими гранулами в виде микрошариков с наложением низковольтного напряжения с применением несущего потока сжатого воздуха и капельной фракции технической воды. Разработанный метод обеспечивает равнораспределенный наклеп, успешно выравнивает и перераспределяет шероховатость, сформировавшуюся на ранних стадиях обработки и балансировочной зачистки, с помощью электрохимического безразмерного воздействия снимает перенаклепанный дефектный слой материала с деформированных микрошариками выступов микронеровностей.

40

Сущность проблемы технологического обеспечения локального упрочнения комбинированной обработкой в том, что необходимо поверхностным деформированием скомпенсировать дефектный слой, который образуется на поверхности после механической зачистки и заполировывании абразивным инструментом. Пагубность такой зачистки состоит еще в вдавливании абразивных зерен в поверхность детали и в приповерхностные микротрещины с образованием нежелательных остаточных напряжений положительного знака. Нарушения физико-механического состояния материала имеют ненормируемую величину распространения с переходными зонами.

Поэтому при выравнивании качества балансируемых роторов отделочноупрочняющей обработкой учитываем следующие характерные составляющие:

−в газожидкостной среде микрошарики находятся в свободном состоянии, а на профилированных инструментах или оснастке (накатниках, бойках) они жестко позиционированы. Вследствие этого микрошарики взаимодействуют с упрочняемой поверхностью любыми доступными в момент соударения своими элементами, а не однозначно ориентированной частью, следовательно, форма микрошарика должна быть максимально округлой;

−один микрошарик воздействует на упрочняемую поверхность с постоянной по значению силой, основная причина деформации при этом вызвана механическим давления, поэтому усилие в контакте поддерживается около довольно постоянных величин;

−при обработке связанным (профилированным) инструментом плотность контактов с поверхностью будет ниже, чем пучка микрошариков на участке контакта потока газожидкостной среды с поверхностью детали по причине невозможности плотной фиксации отдельных инденторов в оснастке;

−газожидкостная среда с технической водой и металлическими сферообразными гранулами при низковольтной электрического тока будет иметь стабильную проводимость.

Комбинированное упрочняющее воздействие состоит из различных физических процессов, происходящих параллельно в одно время: механического соударения микрошариков с поверхностью и электрохимического снятия материала, которое идет под действием низковольтного тока, проходящего через слабопроводящую жидкую пленку технической воды от заготовки-анода к микрошарику - катоду. Микрошарики получают от сжатого воздуха кинетическую энергию, необходимую для деформирования и выравнивания микровыступов. Разреженная капельная фракция жидкости этому практически не помешать не может, так как подается в зону обработки отдельно от микрошариков и смешивается с ними только в сопле струйного аппарата установки.

Режимы операции упрочнения варьируются по времени в зависимости от текущего расхода сжатого воздуха на одно пятно распыливания до полного насыщения поверхности наклепом. Для постоянного поддержания на упрочняемой поверхности жидкостной пленки необходимую капельную долю состав-

41

ляющей потока среды настраиваем опытным путем на имитаторе межлопаточного пространства.

Экспериментальные исследования по установлению зависимостей между отдельными режимами и условиями локального комбинированного упрочнения плоских контрольных пластин в газожидкостной токопроводящей среде и эффективность их для локального упрочнения выполнялись на специальных струйно-динамических установках. При определении степени эффективности режимов и оптимизации условий локального упрочнения микрошариками локальных участков плоскостей использовали контрольные настроечные пластины из закалённой углеродистой стали У8А. Контрольные пластины-свидетели имели размеры 1,2×20×70 мм с шероховатостью плоскостей 0,4 мкм.

В качестве упрочняющего инструмента применялись стальные сферообразные микрошарики диаметром от 100 до 250 мкм, вписанные сферической форму. Сопловой насадок струйного аппарата устройства эжекторного типа имел внутренний диаметром 8 мм. Пятно активной зоны распыливания рабочей среды с микрошариками на этом расстоянии составляло около 50 мм. Напряжение тока 4-10 В, расход обрабатывающей среды – 2-3 м3/мин. Эффективность упрочнения плоскостей контрольных пластин оценивалась по степени наклёпа и величине остаточных напряжений отрицательного знака. Значение Zоб прогиба контрольных пластин назначено основным результатом экспериментального исследования. Комбинированное упрочнение плоскостей контрольных пластин из различных материалов осуществлялось на одних и тех же режимах обработки. По результатам экспериментальных исследований определено для большинства исследуемых материалов, подтвержденное расчетными данными, оптимальная длительность обдувки одного пятна распыла до 30 с. Контрольные пластины изготовлялись из различных жаростойких сталей и сплавов балансируемых деталей роторной группы [6].

Упрочнение локальных участков турбины выполнялось на эжекторной установке за два перехода с креплением на шпинделе через диэлектрическую оправку со скользящим токоподводом низкого напряжения к детали. Шпиндель установки также изолирован подшипником скольжения, непроводящим ток от корпуса оборудования. Второй токоподвод замкнут на корпус установки. На первом переходе зачищенные участки на турбине упрочняли шариками диаметром около 250 мкм с подведением низковольтного напряжения. Условия обработки: расстояние между его торцом сопла и поверхностью контрольной настроечной пластины 190 мм; расстояние оси сопла от оси шпинделя установки 200 мм; пятно распыливания микрошариков 60 мм; длительность упрочнения каждого соседнего пятна распыливания 10-15 с; угол встречи потока среды с поверхностью 90±15°; скорость вращения детали 7 мин-1 со снижением на нарушенных участках поверхности до 3 мин-1; напряжение на токоподводах 6–8 В; давление сжатого воздуха на входе в сопловой аппарат 0,5 МПа; расход газожидкостной слабопроводящей среды 1,5–2 м3/мин. Газожидкостная среда яв-

42

ляется слабым проводником, так как содержит сжатый воздух и капельную фракцию технической воды.

На заключительном технологическом переходе упрочнение выполнялась смешанными фракциями микрошариков размером до 150 мкм без наложения тока. Расстояние от торца сопла поверхностью плоской настроечной пластины 150 мм. Сопло находилось на расстоянии в 200 мм от оси вращения оснастки; размер пятна распыливания зафиксировано около 40-50 мм; время обработки каждого соседнего пятна распыливания 10 с; угол встречи потока обрабатывающей среды с планшайбой установки 90±15°; давление сжатого воздуха на входе в сопловой аппарат 0,3 МПа; расход газожидкостной среды 2 м3/мин.

Для обдувки с целью упрочнения применялись гранулы из жаропрочного никелевого сплава, из которых компактировалась заготовка турбины, с целью исключения нежелательного шаржирования поверхности посторонними химическими элементами, железом, углеродом и т.д. После обработки поверхности в течение 15 минут наклеп поверхностного слоя составил 2÷3,5 %, что подтверждает результаты и отвечает условиям по эксплуатации.

Таким образом, был спроектирован и реализован процесс комбинированной локальной обработки токопроводящими микрошариками с выравниванием физико-механических свойств нарушенного поверхностного слоя материала. Впервые для этих целей использованы микрошарики различных фракций с газожидкостной токопроводящей средой. Разработанная методика и режимы позволяют реализовать локальный комбинированный процесс поврежденных участков при балансировке и доводки поверхностей лопаточных деталей с целью получения стабильных показателей качества балансируемых роторов и ресурса работы высокооборотного ротора в водородосодержащих средах.

Литература

1.Сухочев Г.А. Управление качеством изделий, работающих в экстремальных условиях при нестационарных воздействиях / Г.А. Сухочев. – Воро-

неж: ВГУ, 2003. 287 с.

2.Сухочев Г.А. Технологическое обеспечение качества газотер-мических покрытий на поверхностях сложной формы / Г.А. Сухочев, А.М. Кадырметов, Д.В. Силаев // Вестник РГАТУ имени П.А. Соловьева. – Рыбинск: РГАТУ, 2017. № 2(41). С. 26-32.

3.Сухочев Г.А. Технологическое обеспечение электроэрозионной обработки поверхностей каналов с заданной шероховатостью / Г.А. Сухочев, Д.В. Силаев, А.М. Некрылов, С.И. Голев // Современные технологии производства в машиностроении: сб. науч. тр., Воронеж: ФГБОУ ВПО ВГТУ, Вып. 11, 2017. С. 4-12.

4.Сухочев Г.А. Работоспособность нагруженных деталей после комбинированной обработки в экстремальных условиях эксплуатации [Текст] / Г.А. Сухочев, С.Н. Коденцев, А.М. Некрылов, Н.Д. Савенков // Современные техноло-

43

гии производства в машиностроении: сб. науч. тр., Воронеж: ФГБОУ ВПО ВГТУ, Вып. 11, 2017. С. 3-20.

5.Сухочев Г. А. Доводка узких каналов комбинированными методами / Г. А. Сухочев, Д. В. Силаев, В. Н. Сокольников // Современные технологии производства в машиностроении: сб. науч. тр., ‒ Воронеж: ВГТУ. Вып. 9. 2015.

С. 4-14.

6.Сухочев Г.А. Технология балансировки высокооборотных роторов ЖРД / Г.А. Сухочев, В.Н. Сокольников // Современные технологии производства в машиностроении: сб. науч. тр., Воронеж: ВГТУ, 2016. Вып. 10. С. 27-39.

Конструкторское бюро химавтоматики Воронежский государственный технический университет

УДК 621.9.047

О.Н. Кириллов, С.С. Юхневич, Е.В. Котуков

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ НЕПРОФИЛИРОВАННЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ-ИНСТРУМЕНТАМИ

В статье рассмотрены исследования методов комбинированной обработки непрофилированными электродами-инструментами, проведенные учеными Воронежской школы электрических комбинированных методов. Показаны основные этапы исследований, достигнутые результаты

Ключевые слова: непрофилированный инструмент, электрод-щетка, прижим, контакт, зазор, электрическое поле, комбинированная обработка, струйная гидроабразивная обработка, анизотропные материалы, гранулы

На современном этапе машиностроительного производства сложных, наукоемких изделий увеличивается номенклатура их выпуска и сложность конструкции, возрастают требования по качеству и точности их изготовления.

В условиях автоматизированного гибкоструктурного производства требуется универсальный инструмент. С учетом этих требований перспективно использование обладающих возможностью быстрого перехода на обработку изделий различных конструкций непрофилированных электродов-инструментов

[3].

Непрофилированными называют электроды-инструменты для электрических методов обработки, которые не содержат совокупности основных типичных свойств, в первую очередь это относится к геометрии рабочей части инструмента: угловым и линейным величинам, определяющим заданное, строго определенное взаимное положение рабочих поверхностей и компонентов конструкций.

44

За счет своей гибкости и универсальности непрофилированные электро- ды-инструменты могут применяться для различных операций: достижения интенсивного съема, удаления заусенцев и скругления острых кромок, размерной обработки, нанесения покрытий, создания поверхностного слоя с заданным качеством.

В Воронежском государственном техническом университете профессором Смоленцевым В.П. создана школа электрических комбинированных методов обработки, в которой начались системные работы по разработке и исследованию процесса комбинированной обработки деталей непрофилированным электродом-щеткой [1, 3]. Изучению данной проблемы посвящены работы Черепанова В.Ю. [2]. Он установил в своих исследованиях эффект взаимного влияния составляющих комбинированного процесса: электрохимической, электроэрозионной и механической, на качественные и технологические показатели корректируемого съема материала; исследовал механизм обработки непрофилированным электродом-щеткой, который объяснял возможность протекания процесса за счет электроэрозионных разрядов в момент приближения гибкой проволоки рабочей части инструмента к заготовке и колебательного процесса концов проволоки относительно обрабатываемой поверхности. Черепанов В.Ю. экспериментально получил зависимости по определению общего съема материала и возникающих в процессе комбинированной обработки, усилий между электродами, разработал конструкцию секционного электрода-щетки, сконструировал и изготовил опытно-экспериментальную установку. Однако в его работах отсутствуют данные по обработке заготовок с большими значениями неравномерности исходного припуска, которые составляют значительную часть обрабатываемых изделий. Это не дало возможность создать технологию обработки таких деталей [3].

Исследования комбинированной обработки непрофилированным элек- тродом-щеткой продолжил в своих работах Кириллов О.Н. [3, 4]. Большое внимание им было уделено исследованию процесса комбинированной обработки деталей с переменным припуском. Был исследован механизм обработки непрофилированным электродом-щеткой в части обработки в условиях переменного припуска, обоснована оптимальная величина прижима непрофилированного инструмента при обработке поверхности с переменным припуском, изучены возможности уменьшения износа электрода-щетки, разработана технология обработки деталей с переменным припуском и проверена в производственных условиях. Был раскрыт механизм и создана модель обработки непрофилированным электродом-щеткой поверхностей изделий с переменным припуском, разработана конструкция электрода-щетки с научно обоснованным шагом между отдельными пучками электродов-проволок, определена величина их прижима к обрабатываемой поверхности. Создана технология, предоставляющая возможность эффективно обрабатывать наукоемкие изделия с переменным припуском непрофилированным электродом-щеткой, что позволяет механизировать ручные операции зачистки на литых и сварных заготовках.

45

Входе выполнения исследований комбинированной обработки непрофилированным инструментом были получены патенты и авторские свидетельства на изобретения: для снижения износа непрофилированного электрода-щетки способ подачи электролита [5] и конструкция щетки для чистовой обработки [6]; способ электромеханической обработки, позволяющий обрабатывать элек- тродом-щеткой титановые сплавы [4] и способ комбинированной зачистки изделий металлургического передела электродом-щеткой [7], позволяющий производить зачистку слябов и блюмов с большим неравномерным припуском при заданной точности.

ВЛипецком государственном техническом университете Юриковым Ю.В. под научным руководством профессора Саушкина Б.П. [8] были проведены исследования по электроэрозионному нанесению покрытий с помощью непрофилированного электрода-щетки. Была установлена возможность нанесения покрытия. Подтверждено устранение непрофилированным электродомщеткой поверхностных дефектов вида кольцевых рисок в диапазоне 0,125…0,5 мм. Процесс комбинированной обработки может быть рекомендован с целью нанесения покрытий и упрочнения сложно доступных поверхностей: щелей, пазов, стенок, мест перехода [3].

Чистовую обработку непрофилированным электродом-щеткой рассмот-

рел в своих исследованиях Писарев А.В. [9]. В его работах был обоснован р а- циональный способ, разработаны инструмент и технология чистовой обработки сложнопрофильных деталей с последующим упрочняющим или декоративным покрытием обработанной поверхности.

Им были дополнены математическая и физическая модели формообразования микроповерхности с установлением качественных и количественных взаимосвязей, составляющих воздействий на комбинированный процесс обработки непрофилированным электродом-щеткой; разработан способ получения предельно достижимых значений шероховатости поверхностного слоя, изучены закономерности формообразования микропрофиля в жидкой среде, учитывающие различную величину контакта электрода-щетки и заготовки и воздействие эрозионной и химической и составляющих процесса на удаление микронеровностей. Были разработаны: рекомендации по проектированию технологии, оборудования, инструмента, позволяющие добиться предельно достижимой шероховатости детали при произвольном профиле обрабатываемой поверхности заготовки [3].

Продолжил исследования по изучению непрофилированного электродаинструмента Склокин В.Ю. В его работах рассмотрена локальная обработка изделий металлургического передела [10]. Задачей исследований являлась разработка технологического процесса обработки непрофилированным электродомщеткой, позволявшего производительно выполнять в автоматизированном режиме локальную обдирку, зачистку заготовок из металлургического передела с заданным качеством проката, соответствующего действующим международным стандартам. Были разработаны режимы обработки и технологическое ос-

46

нащение для зачистки изделий металлургического передела с использованием основных узлов станков, освоенных промышленностью [3].

Однако, до последнего времени, непрофилированный электрод-щётка использовался в основном для черновой обработки.

В развитии обработки непрофилированным электродом-щеткой можно условно выделить четыре этапа. На 1 этапе стояла задача достижения высокой производительности процесса обработки. Это достигалось за счет многократной обработки, одновременно, несколькими щетками. Управлять таким процессом было сложно, при обработке наблюдался высокий износ электродов-щеток, причем, на данном этапе, можно было осуществить только черновую операцию обработки. Проблема в данном случае заключалась в том, что при обработке не была известна истинная величины прижима инструмента и заготовки в межэлектродном промежутке. На 2 этапе развития способа обработки, была поставлена задача получить высокую производительность обработки и точность обработки сопряжений. Для этого был применен новых подход: мы управляли процессом, но использовали рекомендации как при механической обработке щетками, окружные скорости назначались как при обработке без наложения электрического поля. Окружная скорость инструмента была одинакова на протяжении всего процесса обработки, она отличалась от реальной скорости и была недостаточна. Используемое для обработки оборудование имело недостаточные технические характеристики, в частности малое число оборотов вращения шпинделя, и не могло обеспечить требуемых высоких окружных скоростей. В результате электроды-щетки работали нестабильно и высокого качества обработки достигнуть не получилось. На 3 этапе развития способа обработки элек- тродом-щеткой мы получили высокое качество обработанной поверхности, когда повысили окружную скорость. Но, при больших скоростях повышался расход проволоки рабочей части непрофилированного инструмента, если мы не могли обеспечить точность контакта в межэлектродном промежутке. Наблюдалось: приваривание проволок электрода-щетки к заготовке, происходил выров целых пучков из корпуса электрода-щетки. Достичь малого износа инструмента на этом этапе обработки не удалось. Точность и качество получаемой поверхности закладывались предшествующей обработкой [3].

В исследованиях Кириллова О.Н. и других авторов [3, 11, 12] был найден путь управления процессом обработки: это работа на сверхвысоких скоростях. Она зависит от диаметра инструмента в реальном масштабе времени. Это четвертый этап развития процесса обработки непрофилированным электродомщеткой. Перевод обработки на высокие окружные скорости дал возможность решить принципиальную проблему – управления величиной контакта (зазора) – являющегося определяющим технологическим показателем комбинированного процесса, что позволило совместить черновую и чистовую обработку для всех типов обрабатываемых поверхностей.

Был разработан механизм высокоскоростной контактной комбинированной размерной обработки наукоемких изделий, в том числе со сложной геомет-

47

рической формой, из токопроводящих материалов непрофилированным элек- тродом-инструментом. В основу механизма принято автоколебательное движение пучков проволоки электрода-щетки относительно обрабатываемой поверхности изделия. Механизм высокоскоростной комбинированной обработки дает возможность управления режимом обработки в диапазоне импульсного процесса, без перехода в дуговой разряд, величиной контакта (зазора) проволоки электрода-инструмента и заготовки для различных комбинаций материалов рабочей части электрода-инструмента и обрабатываемого изделия, интенсифицировав и обеспечив тем самым стабильный процесс чистового формообразования, а также объединить в едином комбинированном технологическом процессе обработки черновые и чистовые операции [3].

Продолжил развитие этого направления Рязанцев А.Ю., который в своих исследованиях занимался разработкой технологии и инструмента для обработки непрофилированным электродом-инструментом нежестких деталей

[13].

Им были разработаны механизм управления контактным процессом чистовой комбинированной обработки и методика расчета непрофилированного электрода – щётки для обработки нежёстких деталей, в том числе со сложной геометрической формой, как технологической системы, с поддержанием положения зоны обработки относительно инструмента и стабилизацией величины прижима к обрабатываемой поверхности. Такой подход дал возможность обрабатывать нежёсткие детали сложной формы с заданными точностью и качеством поверхности за один проход электрода - щетки, что значительно расширило технологические возможности комбинированного процесса.

Представляют интерес исследования аспиранта Котукова Е.В., занимающегося размерной обработкой непрофилированным инструментом нежестких наукоемких изделий со сложной геометрической формой [14].

Работы Юхневича С.С. [15, 17] посвящены комбинированной прецизионной обработке изделий из анизотропных материалов непрофилированным электродом-инструментом в виде натянутой проволоки. В них решена проблема достижения заданной точности комбинированной обработки с наложением электрического поля, прецизионных деталей из токопроводящих, прессованных материалов имеющих анизотропные электротехнические характеристики. Точность обработанного профиля поверхности, в любом направлении, достигалась в пределах назначенных допусков для отделочных и чистовых операций формообразования. Что позволило более эффективно использовать комбинированные методы обработки, за счет управления технологическими режимами подвода внешней энергии, используя характеристики прессованного материала, на изготовление новых деталей из композиционных материалов, используемых в создаваемых наукоемких изделиях нового поколения техники. На рис. представлен алгоритм

48

проектирования техпроцесса изготовления прессованных изделий с анизотропными характеристиками [17].

Контроль

технологичности

Заготовка Нет Отработка технологична? технологичности

Да

Точность Нет Точностной анализ обработки

достаточна?

Алгоритм проектирования техпроцесса обработки изделий из прессованных материалов

49