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