Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Voronezh, Russian Federation
A method is offered for profile surface strengthening in blade part channels. This method integrates processes of vibration and extrusion processing. During processing the oscillations from a vibratory machine are passed to the part worked and located within a cylindrical container with granulated during processing work environment. Under the impact of low-frequency vibrations at the expense of periodic alternate container revolutions a reciprocal shift of strengthening granulated environment on inter-blade channels of the part takes place.
combined vibration and extrusion processing, vibrator, inter-blade channels, granulated work environment, strengthening of surfaces worked
При создании опытных образцов перспективных энергетических установок двигателей применяют различные технологии ‒ от широко известных, использующих термическую, лезвийную обработку или пластическое деформирование, до нетрадиционных технологий, основанных на комбинациях существующих процессов или на различного рода механических, электрических, химических, лучевых и других воздействиях, объединенных в один комбинированный процесс.
При внедрении в производство технологий, основанных на комбинированных методах обработки, создаются специализированное технологическое оборудование, средства технологического оснащения (СТО) и инструмент, которые позволяют обрабатывать различные твердые и вязкие металлы, жаропрочные стали и сплавы, керамику и композиционные материалы. Благодаря этому появляется возможность получать детали сложной конфигурации с заданными параметрами микрогеометрии и качеством поверхностного слоя. Их использование дает возможность создавать изделия с высокими потребительскими качествами, обеспечивающими высокий технический уровень и конкурентоспособность новой техники.
Особенно это актуально и важно при разработке современных технически совершенных высокоэкономичных энергоустановок и двигателей. При их создании впервые были применены передовые технические решения, потребовавшие использования целого комплекса взаимоувязанных технологий, обеспечивающих изготовление:
‒ внутренних стенок камер сгорания с искусственной шероховатостью на огневой стенке для интенсификации внутреннего охлаждения камеры;
‒ внутренних стенок сопел ракетных двигателей методом ротационного выдавливания с предельно минимальным допуском (±
Необходимость использования тех или иных операций с применением комбинированных процессов в общей технологии в процессе создания высокотехнологичной продукции определяется в зависимости от поставленной цели, а один и тот же способ обработки может использоваться для различных задач формообразования.
Например, размерная электрохимическая обработка, используемая для снятия заусенцев в труднодоступных местах, формирования искусственной шероховатости и дифференциального устранения разнотолщинности материала охлаждаемых оболочек (рис. 1), может применяться (после соответствующей адаптации) и для выравнивания микрогеометрии узкого межлопаточного канала переменного сечения роторных деталей, а также составных единиц турбонасосного агрегата (рис. 2).
Рис. 1. Фрагмент оребренной оболочки
При этом появляется возможность комбинированной доводки с заданными показателями качества поверхностей второго порядка узких (менее
На рис. 1 по дну каналов оребрения видны каверны для турбуляции потока охладителя, которые выполняются трудоемким электроэрозионным методом (на обработку одной детали в зависимости от габаритов уходит несколько часов). Этой операции предшествует трудоемкое удаление заусенцев по кромкам ребер, которое слабо поддается механизации (опять же в течение нескольких часов или двух-трех смен на одну оболочку, в зависимости от размеров). Такой низкий уровень производственной технологичности можно повысить использованием нетрадиционных комбинированных методов обработки.
Нетрадиционные технологии являются гибкими, трансформируемыми в зависимости от объекта производства. К ним относятся такие комбинированные методы как электрохимическое фрезерование, виброударная отделочно-зачистная обработка, виброэкструзионное упрочнение, гидродинамическая формообразующая обработка, струйно-динамичес-кое упрочнение микрошариками и др. [1, 2].
Рис. 2. Поперечное сечение лопаток типовой турбины
Рис. 3. Фрагмент рабочего колеса турбины
Тем не менее, самые эффективные процесс-
сы комбинированной обработки, являясь в большинстве случаев только составной частью сквозного технологического процесса, не могут быть автономным средством повышения ресурса продукции без комплексного использования совместно с другими технологическими приемами и методами в рамках сквозной технологии изготовления частей и составных единиц энергетических установок и двигателей [3, 4].
Поэтому имеет смысл провести дополнительные исследования для адаптации технологий с целью придания им требуемой гибкости и расширения технологических возможностей.
Рассмотрим несколько предполагаемых направлений.
Проектирование процессов струйно-динамической обработки ответственных и труднодоступных поверхностей внутренних стенок камер сгорания с каналами охлаждения и лопаточных деталей микрошариками на струйно-динамических установках (рис. 4).
Для обработки ребер и дна каналов охлаждения можно применять микрошарики диаметром 50…100 мкм, исходя из конструктивных и технологических соображений. Конструктивные соображения определяются малым размером канала, требуемой глубиной турбулирующего отпечатка и жесткостью оболочки. Технологические требования заключаются в снятии заусенцев с кромок ребер (рис. 5) без притупления угла (Rmax = 0,1 мм) под операцию последующей пайки с гладкой оболочкой, формирующей замкнутые каналы.
Рис. 4. Установка для струйно-динамической обработки микрошариками
Рис. 5. Выступы оребрения оболочки
Главной проблемой в данном случае является коробление оребренной оболочки с тонким днищем из-за возникающего при дробеструйной обработке наклепа поверхностного слоя.
Пути снижения нежелательного наклепа заключаются в следующем: малая кинетическая энергия микрошариков сама по себе не позволяет на пластичных материалах получить наклеп более чем 2…3 % на глубину 0,03…0,05 мм, но даже такое упрочнение поверхностного слоя нежелательно; для снятия части упрочненного слоя предлагается использование совместно с механическим воздействием эффекта анодного растворения материала.
Такое комбинированное воздействие с помощью токопроводящей жидкой среды снимает значительную часть наклепанного микрослоя материала в местах соударений микрошариков с поверхностью, исключая коробление тонкостенных оболочек. В качестве токопроводящей среды использовали техническую воду, распыленную сжатым воздухом до капельной фракции, и подаваемую потоком воздуха в зону обработки вместе с микрошариками из бункера за счет эффекта эжекции.
Для исключения шаржирования бронзы применяли микрошарики из никелевых сплавов невысокой твердости (например, ЭП741П).
С целью установления оптимальных режи-
мов была проведена экспериментальная обработка образцов на установках эжекторного типа. Эксперимент проводился с использованием микрошариков диаметром 50 и 100 мкм из никелевого сплава, с целью исключения шаржирования в токопроводящей жидкой среде.
В процессе обработки были выявлены оптимальные условия: время обработки каждого участка поверхности 20 с; угол потока относительно поверхности 90°; угловая скорость вала с деталью 20 мин-1; сжатый воздух под давлением 0,2 МПа; напряжение 4…8 В; объём расходуемой токопроводящей жидкой среды
2 м3/мин. Формирование шероховатости и турбулирующих углублений в большой степени зависит от скорости анодного растворения наклепанных микровыступов, которая в момент контакта шарика с вершиной неровности может увеличиваться в два раза из-за повышения удельной проводимости в месте соударения [6].
После обработки всех поверхностей двумя соплами в течение 10 мин ее шероховатость составила 0,8 мкм. Сформированы углубления для турбуляции потока охладителя не только на дне канала, но и на стенках; шероховатость имела на выступах сглаженный характер (рис. 6), наклепанный слой практически отсутствовал.
Степень равно распределенного наклепа составила 1,2…1,5 % относительно материала сердцевины, что ограничивает коробление в пределах допуска по конструкторской документации. Металлографические исследования не выявили шаржирование материала микрошариков в поверхностные слои образцов оболочки.
Для подготовки поверхностей открытых торцов ребер под пайку с гладкой оболочкой проводилось тонкое полирование закрепленным абразивом с целью создания опорной поверхности не менее 70 % и уменьшения глубины отпечатков до 5…10 мкм для удержания расплава припоя во время операции пайки. Анодное растворение также сокращает время последующей очистки от окислов и разрыхления поверхности под пайку.
Применительно к обработке межлопаточных каналов отличие в режимах обработки состояло в увеличении фракции микрошариков до 150…250 мкм, увеличении давления в воздушной сети до значения в 0,4 МПа и снижении напряжения тока до 2…4 В. Это позволило обеспечить степень наклепа до 4…5 % и сформировать сжимающие остаточные напряжения величиной до 200 МПа на кромках лопаток и до 90 МПа в глубине межлопаточного канала. Доставка потока шариков вглубь канала стала возможной за счет низкой плотности газожидкостной среды, оказывающей поддержку продвижению потока микрошариков, в том числе в процессе экранирования от стенок канала.
Анализ эффективности предлагаемых решений показывает, что трудоемкость рассматриваемых технологических процессов может быть снижена на порядок при поддержании, а в ряде случаев – и при повышении заданного уровня качества рабочих поверхностей ответственных частей и составных элементов.
Рис. 6. Поверхность плоского образца с характерными регулярными отпечатками
По результатам исследований разработку или модернизацию вышеназванных технологических процессов и оснастки для их реализации планируется проводить совместно с базовыми предприятиями индивидуально для каждого вида изделий с наиболее полным удовлетворением заданных технических требований на изготовление и эксплуатацию.
Основой этому могут быть более ранние конструкторско-технологические разработки с элементами САПР по сквозному профилированию проточной части охлаждаемых оболочек, турбонасосных агрегатов, автоматизированному расчету элементов пневмогидравлических схем энергетических установок, анализу напряжений в конструктивных элементах во взаимосвязи с технологическими параметрами изготовления (сварные, паяные соединения и т.д.) для авиационно-косми-ческой и других отраслей промышленности.
Найдут применение и такие технологические приемы, как высокотемпературная газостатическая обработка заготовок, коррозионно-стойкие и термозащитные композиционные покрытия, использование работоспособных в криогенных средах материалов и композиций, параллельная поагрегатная сборка с проведением независимых испытаний и регулировок, упрочнение каналов гидравлических систем, высокочастотная балансировка роторов и т.д. [1, 6].
Существующие заделы в области организации работ по разработке научно-технической продукции в виде нетрадиционных комбинированных технологий позволяют продолжить дальнейшие исследования, направленные на обеспечение производственной технологичности при сохранении требуемого качества и конкурентоспособности продукции как на
внутреннем, так и внешнем рынках.
1. Sukhochev, G.A. Quality Control of Parts Working under Extreme Conditions under Transient Conditions. - Voronezh: VSU, 2003. - pp. 286.
2. Grymzin, A.Yu. Investigation of interblade channel strengthening in parts of rotor group / A.Yu. Grymzin, A.M. Nekrylov, A.O. Rodionov, G.A. Sukhochev // In collection “Mechanical Engineering Future in Russia” / Proceedings of the XII-th All-Russian Conf. of Young Scientists and experts (with Inter. Participation). - 2019. - pp. 123-131.
3. Nekrylov, A.M. Blade part life increase for pump equipment using combined processing / A.M. Nekrylov, A.Yu. Grymzin, G.A. Sukhochev // In collection “Scientific Support of Voronezh Region” / Winners’ Proceedings of VSTU Stu-dents’ and Graduate Students’ Research Work Competition on Priority Directions of Science and Technology Development. - Voronezh, 2019. - pp. 233-235.
4. Nekrylov, A.M., Sukhochev, G.A., Rodionov, A.O. In-vestigation of Inter-Blade Channel Strengthening Modes for Rotor Group Parts // Strengthening Technologies and Coatings. - 2019. - Vol. 15. - No.9 (177). - pp. 421-426.
5. Sukhochev, G.A. Engineering process parameters of qualitative surface layer obtaining for rotor group parts / G.A. Sukhochev, V.N. Sokolnikov, A.M.Nekrylov // In collection “Modern Production Technologies in Mechanical Engineering” - Voronezh, 2019. - pp. 83-86.
6. Sukhochev, G.A., Sokolnikov, V.N., Kodentsev, S.N. Technological aspects of high-speed rotor balancing // Fundamental and Applied Problems of Technics and Technology. - 2016. - No.2 (316). - pp. 99-105.
