способ электрохимической размерной обработки турбинных лопаток и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ электрохимической размерной обработки турбинных лопаток, включающий обработку двумя вибрирующими катодами-инструментами с синхронизированной с колебаниями катодов-инструментов подачей импульсов технологического напряжения и с поступательным движением катодов-инструментов относительно анода-заготовки, отличающийся тем, что обработку профиля лопатки осуществляют последовательно сначала одним съемным катодом-инструментом, а затем после поворота анода-заготовки в крепежном приспособлении вдоль оси изделия на 180° и установки его на съемный диэлектрический ложемент, профиль которого повторяет геометрию рабочей поверхности первого катода-инструмента, вторым съемным катодом-инструментом при амплитудном значении технологического напряжения 6-8 В, линейной скорости подачи каждого из катодов-инструментов 0,23-0,28 мм/мин и длительности импульса технологического напряжения 3000-3400 мкс.

2. Устройство для электрохимической размерной обработки турбинных лопаток, содержащее два катода-инструмента, анод-заготовку с межэлектродным зазором между катодом-инструментом и анодом-заготовкой, в который поступает электролит, устройство для крепления двух катодов-инструментов, устройство для крепления анода-заготовки, базировочную плиту, отличающееся тем, что дополнительно содержит съемный ложемент, выполненный из диэлектрического материала, имеющий профиль, повторяющий геометрию рабочей поверхности первого катода-инструмента, и установленный между анодом-заготовкой и базировочной плитой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области размерной электрохимической обработки металлов и сплавов и может быть использовано, например, для изготовления турбинных лопаток.

Известен способ многоточечного захвата турбинной лопатки в нескольких точках, распределенных с обеих сторон детали, и устройство для его осуществления (патент US №5.527.435, В23Н 3/00, 1996) в процессе электрохимической обработки. Известное решение исключает вибрацию пера лопатки при электрохимической обработке, что позволяет минимизировать межэлектродный зазор, а следовательно, изготавливать перо лопатки с достаточно высоким качеством.

Однако держащий (поджимной) винт не обеспечивает максимально достижимой жесткости системы «станок - приспособление - инструмент - деталь», необходимой для высокоточной электрохимической размерной обработки. Кроме того, недостатком способа является и потеря электролита перед рабочей зоной обработки, не позволяющая оптимизировать относительную скорость подачи катодов-инструментов таким образом, чтобы ее значение было равно значению скорости анодного растворения заготовки.

Известен способ электрохимической обработки пера турбинной лопатки (патент US №5.662.783, В23Н 3/00, 1997), в котором перо лопатки обрабатывается одновременно двумя подвижными электродами, являющимися катодами-инструментами, которые имеют форму рабочей поверхности, повторяющую геометрию поверхности пера лопатки, и боковые части из диэлектрического материала, закрепленные по бокам катодов-инструментов, которые обеспечивают подачу электролита в межэлектродный зазор и предотвращают столкновение и последующее разрушение катодов-инструментов в конечной стадии изготовления пера лопатки.

Известно устройство для электрохимической обработки турбинной лопатки (Патент US №5.662.783, В23Н 3/00, 1997), которое включает в себя два катода-инструмента, выпуклый и вогнутый, расположенные на общей оси таким образом, чтобы поток электролита перераспределялся между ними и анодом-заготовкой, и движущиеся навстречу друг другу. Катоды-инструменты соответственно снабжаются парами противодействованных плоских боковых пластин из диэлектрического материала, которые в конце электрохимической обработки пера лопатки смыкаются.

К недостаткам известных способа и устройства относятся: во-первых, способ подачи электролита в рабочую зону обработки, в результате которого происходит потеря (шунтирование) электролита перед рабочей зоной и, как следствие, не обеспечивается подача максимально возможного количества электролита в межэлектродный зазор, что, в свою очередь, вынуждает увеличивать межэлектродный промежуток для избежания короткого замыкания между катодом-инструментом и анодом-заготовкой. Во-вторых, система "станок - приспособление - инструмент - деталь" не обладает достаточной жесткостью. Как результат этих недостатков известный способ и устройство для его осуществления не дают возможности одновременной обработки сразу нескольких деталей.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ электрохимической размерной обработки турбинных лопаток и устройство для его осуществления, обеспечивающий возможность одновременной обработки нескольких деталей за счет исключения потерь электролита, поступающего в рабочую зону обработки, а также увеличения жесткости системы "станок - приспособление - инструмент - деталь".

Поставленная задача решена в предлагаемом способе электрохимической размерной обработки турбинных лопаток, включающем обработку двумя вибрирующими катодами-инструментами с синхронизированной с колебаниями катодов-инструментов подачей импульсов технологического напряжения и с поступательным движением катодов-инструментов относительно анода-заготовки, в котором обработку профиля лопатки осуществляют последовательно сначала одним съемным катодом-инструментом, а затем после поворота анода-заготовки в крепежном приспособлении вдоль оси изделия на 180° и установки его на съемный диэлектрический ложемент, профиль которого повторяет геометрию рабочей поверхности первого катода-инструмента, вторым съемным катодом-инструментом при амплитудном значении технологического напряжения 6-8 В; линейной скорости подачи каждого из катодов-инструментов 0,23-0,28 мм/мин и длительности импульса технологического напряжения 3000-3400 мкс.

Поставленная задача также решена в предлагаемом устройстве для электрохимической размерной обработки турбинных лопаток, содержащем два катода-инструмента, анод-заготовку с межэлектродным зазором между катодом-инструментом и анодом-заготовкой, в который поступает электролит, устройство для поочередного крепления двух катодов-инструментов, устройство для крепления анода-заготовки, базировочную плиту, которое дополнительно содержит съемный ложемент, выполненный из диэлектрического материала, имеющий профиль, повторяющий геометрию рабочей поверхности первого катода-инструмента, и установленный между анодом-заготовкой и базировочной плитой.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ электрохимической размерной обработки турбинных лопаток, а также устройство для его осуществления, в котором использован дополнительный конструктивный элемент - ложемент, выполненный из диэлектрического материала, а также параметры проведения обработки в предлагаемых интервалах значений.

Отклонение линейных размеров турбинной лопатки не должно превышать ±0,02 мм. Ни один из известных способов не может обеспечить необходимую точность линейных размеров турбинных лопаток при одновременной обработке сразу нескольких заготовок. Достижение такой точности представляет собой достаточно сложную задачу, решение которой отражено в предлагаемом решении. Наилучший результат при использовании метода электрохимической размерной обработки может быть получен при достижении равенства значений скорости обработки и скорости анодного растворения заготовки, что выполнимо при обеспечении оптимальных гидродинамических условий в межэлектродном зазоре, т.е. исключении потерь электролита перед рабочей зоной обработки. Кроме того, необходимо выполнение точной базировки обрабатываемой детали относительно катода-инструмента; применение в конструкции ложемента, имеющего профиль, повторяющий геометрию рабочей поверхности первого катода-инструмента, и тем самым учитывающей особенности геометрии обрабатываемой детали, обеспечивает высокую жесткость системы «станок - приспособление - инструмент - деталь».

В предлагаемом способе при выборе режимов электрохимической размерной обработки турбинных лопаток необходимо учитывать наличие нескольких одновременно обрабатываемых деталей, имеющих плоскости, перпендикулярные направлению движения катода-инструмента, т.е. торцевые, и параллельные направлению движения, т.е. боковые. Чтобы избежать короткого замыкания между катодом-инструментом и анодами-заготовками при достижении минимальной величины межэлектродного зазора, обработка таких поверхностей требует экспериментального определения основных параметров: скорости подачи катода-инструмента, амплитудного значения технологического напряжения и длительности импульса технологического напряжения в зависимости от общей площади формирующегося профиля лопаток. Одновременно с этим необходимо обеспечить максимально возможный расход электролита в межэлектродном зазоре, что может быть достигнуто исключением потерь электролита перед зоной обработки. Авторами был разработан способ электрохимической размерной обработки нескольких турбинных лопаток одновременно, в котором интервалы значений параметров были определены путем эксперимента и имеют строго фиксированную величину, отклонение от которой в любую сторону нарушает технологический режим и ведет к ухудшению качества обработки. В результате ширина межэлектродного зазора и процессы, происходящие в нем, стабилизированы, а для избежания потерь (шунтирования) электролита перед обработкой вторым катодом-инструментом заготовку устанавливают на съемный диэлектрический ложемент, расположенный на базировочной плите, профиль которого повторяет геометрию рабочей части первого катода-инструмента.

Если в процессе обработки амплитудное значение технологического напряжения становится меньше 6 В, то с течением времени при увеличении площади обработки происходит пассивация поверхностных слоев многоместного анода-заготовки, приводящая к образованию на поверхности получаемых изделий питтингов, ухудшающих ее микрорельеф. Если в начале обработки амплитудное значение технологического напряжения больше 8 В, то при формообразовании выступающими частями многоместного катода-инструмента происходит растравливание образующихся на аноде-заготовке боковых поверхностей замков лопаток и, следовательно, потеря точности обработки.

Если в начале обработки длительность импульса напряжения между электродами составит меньше 3000 мкс, то скорость съема металла с большой площади многоместного анода-заготовки станет меньше скорости подачи катода-инструмента, что может привести к короткому замыканию между электродами и разрушению рабочей поверхности катода-инструмента. Если в процессе обработки длительность подаваемых в межэлектродный зазор импульсов будет больше 3400 мкс, то съем металла будет более интенсивным, что приведет к дополнительному растравливанию боковых поверхностей многоместного анода-заготовки и потере точности изготовления лопаток.

Если в процессе обработки скорость подачи катода-инструмента меньше 0,23 мм/мин, то невысокая производительность обработки ведет к увеличению межэлектродного зазора, что, в свою очередь, приведет к потере точности. Если скорость подачи в начале обработки будет больше 0,28 мм/мин, это приведет к тому, что выступающие рабочие поверхности многоместного катода-инструмента, оформляющие замки лопаток, из-за шунтирования потока электролита механически столкнутся с неуспевшими раствориться поверхностями анода-заготовки, что приведет к короткому замыканию между электродами и разрушению рабочей поверхности катода-инструмента.

Использование съемного диэлектрического ложемента, имеющего профиль, повторяющий геометрию рабочей поверхности первого катода-инструмента, на который перед обработкой вторым катодом-инструментом устанавливают анод-заготовку, позволяет не только избежать потерь электролита перед межэлектродным зазором, но и придает дополнительную жесткость системе «станок - приспособление - инструмент - деталь». Это происходит, когда поток электролита, поступающий без потерь в рабочую зону обработки, прижимает истончающуюся в процессе обработки в определенных конструкцией лопатки местах заготовку к диэлектрическому ложементу, исключая возможную вибрацию заготовки.

Устройство для осуществления предлагаемого способа поясняется чертежом, где на фиг.1 показана базировка элементов перед обработкой, на фиг.2 - расположение элементов в процессе обработки и на фиг.3 - диэлектрический ложемент 12 и анод-заготовка 2 с технологическими припусками 16 и 17.

Устройство включает в себя базировочную плиту 1 (см. фиг.1), на поверхность которой устанавливают анод-заготовку лопатки 2, имеющую форму параллелепипеда с технологическими припусками с обработанными на плоскошлифовальном станке сторонами. Технологическая оснастка 3 из диэлектрического материала обеспечивает подвод рабочей жидкости (электролита) в зону электрохимической обработки. Технологическая оснастка 3 имеет паз 4, выполненный вдоль продольной оси, ширина которого равна ширине анода-заготовки с припуском H7/h6, a глубина равна ½ высоте анода-заготовки. Кроме того, в технологической оснастке имеются отверстие для подачи электролита 5, накопительная камера 13 и две выборки 14 и 15 с нижней стороны. Также в технологической оснастке 3 изготовлен сквозной паз 6 с размерами, равными габаритным размерам катода-инструмента 7, выполненный таким образом, чтобы обеспечить движение катода-инструмента 7 по скользящей посадке с квалитетом H7/h6, направленное по нормали к поверхности анода-заготовки 2.

Перед началом электрохимической размерной обработки первым многоместным катодом-инструментом 7 технологическую оснастку 3 в сборе с анодом-заготовкой 2 и базировочной плитой 1 закрепляют на столе установки ЭХРО прижимами. Причем заготовка устанавливают своей шлифованной поверхностью на шлифованную поверхность базировочной плиты. Таким образом обеспечивается жесткая фиксация анода-заготовки 2. Кроме того, создаются условия для необходимого токоподвода и минимизации потерь электролита.

В базировочной плите 1, аноде-заготовке 2 и подэлектродной плите 8 вскрыты классные отверстия (по квалитету H8/h7), обеспечивающие базировку съемных катодов-инструментов 7 относительно анода-заготовки 2 при помощи штифтов 9. Съемный катод-инструмент 7, оформляющий верхнюю и нижнюю поверхности анода-заготовки лопатки 2, крепят к подэлектродной плите 8 при помощи базировочных штифтов 10 и винтов 11 поочередно в любой последовательности.

Электролит подают в отверстие 5 через штуцер, прикрепленный винтами М6 к лицевой стороне технологической оснастки 3, после чего он перераспределяется в накопительной камере 13 шириной 4 мм на всю габаритную длину анода-заготовки 2 и поступает в зону обработки. Глубина 2 мм выборки 14 на входе электролита в межэлектродный промежуток равно как глубина 0,5 мм выборки 15 на выходе электролита из межэлектродного промежутка обеспечивает противодавление электролита в межэлектродном зазоре, что улучшает гидродинамику при электрохимическом формообразовании поверхности лопатки.

Перед обработкой вторым многоместным катодом-инструментом 7 анод-заготовку 2 переворачивают на 180° вдоль своей продольной оси и устанавливают на диэлектрический ложемент 12, имеющий габаритные размеры катода-инструмента и профиль с одной стороны, повторяющий геометрию рабочей поверхности первого катода-инструмента. Второй стороной, шлифованной на плоскошлифовальном станке, ложемент устанавливают на базировочную плиту 1. Технологическую оснастку 3 в сборе с диэлектрическим ложементом 12, анодом-заготовкой 2 и базировочной плитой 1 закрепляют на столе установки ЭХРО прижимами. Это позволяет обеспечить жесткость системы «станок - приспособление - инструмент - деталь» и избежать потерь электролита в процессе обработки второй стороны анода-заготовки 2. Формообразующий рельеф на обоих съемных катодах-инструментах 7, а также профиль диэлектрического ложемента 12 выполнены на станке с ЧПУ по математической модели, рассчитанной в соответствии с размерами изготовляемой лопатки. Подача электролита в зону обработки осуществляют с помощью технологической оснастки 3.

Предлагаемое устройство обеспечивает необходимую при электрохимической размерной обработке жесткость системы СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь), оптимальную прокачку электролита в межэлектродном промежутке и надежный токоподвод к аноду-заготовке и катоду-инструменту.

Формообразование лопаток осуществляют сначала многоместным катодом-инструментом 7, имеющим профиль верхней части лопатки с выгнутой формой пера. После того, как необходимая геометрия верхней части лопатки получена, заготовку 2 переворачивают в приспособлении на 180 градусов вдоль своей оси и устанавливают на диэлектрический ложемент 12, профиль которого повторяет геометрию рабочей поверхности первого катода-инструмента, расположенный на базировочной плите 1, на подэлектродной плите 8 устанавливают второй катод-инструмент 7 и происходит формообразование нижней части лопаток с вогнутой формой пера. По окончании электрохимического формообразования технологические припуски заготовки лопаток 2 удаляют механически. Турбинные лопатки готовы.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. На основе проведенных исследований выбраны значения основных параметров обработки, изменяющиеся обратно пропорционально площади обработки в следующих интервалах: амплитудное значение технологического напряжения U_A, В 8-6; скорость подачи электрода-инструмента V_p, мм/мин 0,28-0,23. Длительность импульса технологического напряжения изменяется прямо пропорционально площади обработки в интервале 3000-3400 мкс. В качестве электролита используют 10%-ный водный раствор NaNO₃ с =1,067 г/см³, который подают в межэлектродный зазор с давлением на входе Р_э, атм - 6. Среднее значение технологического напряжения поддерживают постоянным U_cp, В - 2,5.

В процессе электрохимической размерной обработки турбинных лопаток происходит следующее (см. фиг.2) Через отверстие 5 технологической оснастки 3, к которому крепится штуцер шланга подачи электролита, электролит попадает в накопительную камеру 13, где он перераспределяется по всей ширине межэлектродного зазора. Затем электролит через щель, образованную выборкой 14 и поверхностью базировочного основания 1, поступает в рабочую зону электрохимической размерной обработки. Для создания противодавления, обеспечивающего наилучшие гидродинамические условия прохождения электролита через межэлектродный зазор, высота щели на входе электролита в рабочую зону 2 мм, а на выходе из рабочей зоны 0,5 мм. Стол электрохимического станка с закрепленной на нем базировочной плитой 1, на которой закреплен анод-заготовка лопаток 2, подается навстречу катоду-инструменту 7 со скоростью, равной скорости съема металла при электрохимическом растворении материала заготовки (жаростойкий сплав ЗМИ-3). Точное изготовление сквозного паза 6 с размерами, равными габаритным размерам катода-инструмента 7, в технологической оснастке 3, по которому движется катод-инструмент 7, минимизирует потери электролита.

Электрохимическую обработку лопаток осуществляют сначала катодом-инструментом 7, имеющим профиль верхней части лопатки с выгнутой формой пера. После того, как необходимая геометрия верхней части лопатки получена, анод-заготовку 2 переворачивают в приспособлении на 180° вдоль своей оси и устанавливают на диэлектрический ложемент 12, исключающий потери (шунтирование) электролита перед зоной обработки, на подэлектродной плите 8 меняют и устанавливают второй катод-инструмент, происходит обработка нижней части лопаток с вогнутой формой пера. По окончании электрохимического формообразования технологические припуски 16 (см. фиг.3) анода-заготовки 2 удаляют механически. Разрезают изготовленные лопатки по предусмотренным заранее припускам 17. Турбинные лопатки готовы.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующим примером.

Пример 1. Для ФГУП «Завод гражданской авиации» были одновременно изготовлены шесть лопаток для первой ступени компрессора газотурбинного двигателя. Материал, из которого были изготовлены заготовки, - жаростойкий сплав ЗМИ-3. В качестве электролита использован 10%-ный водный раствор NaNO ₃ с =1,067 г/см³. Основные технологические параметры: глубина обработки 8 мм; длительность импульса технологического напряжения 3000-3400 мкс; скорость подачи электрода-инструмента относительно детали 0,28-0,23 мм/мин; напряжение действующее, 2,5 В; напряжение амплитудное 8-6 В; давление электролита на входе в межэлектродный зазор 6 атм.

По результатам измерений размеры изготовленных лопаток попадают в поле допусков на аналогичные размеры лопаток, изготовленных по шаблонам механическим способом.

Таким образом, предлагаемый способ электрохимической размерной обработки турбинных лопаток позволяет одновременно изготовить полный профиль нескольких турбинных лопаток, включая перо и хвостовую часть, одновременно при сохранении высокого качества и точности обработки поверхности.