Применение новых технологических процессов и высокоэффективного оборудования является важным направлением развития авиационного двигателестроения. Технологическая проработка деталей современных ГТД показывает, что в них имеются охлаждающие и функциональные отверстия, выполняемые с высокой точностью и качеством. К таким деталям относятся лопатки турбины и соплового аппарата, экраны и кольцевые детали камеры сгорания, детали топливной аппаратуры. Наблюдается тенденция к уменьшению диаметров и увеличению количества отверстий в лопатках. Диапазон диаметров составляет 0,2-3,0 мм при глубине до 50 мм. Технологические проблемы изготовления таких отверстий связаны с необходимостью достижения высокой геометрической точности обработки, большой глубиной отверстий (L/D>= 100), расположением отверстий под острым углом к торцовой поверхности.

Механические методы обработки таких отверстий далеко не всегда обеспечивают требования современного производства. Как показывают результаты исследований [1, 2], электроэрозионные методы могут быть эффективны для получения пазов и отверстий в деталях ГТД из жаропрочных и титановых сплавов, так как технологические показатели метода практически не зависят от физико-механических характеристик обрабатываемых материалов и обработка осуществляется без заметных силовых воздействий. Однако применение традиционной электроэрозионной обработки (ЭЭО) для получения отверстий малого диаметра, особенно с большим значением отношения L/D, сопряжено с технологическими трудностями. Это связано, главным образом, с затруднениями эвакуации продуктов эрозии. Поэтому актуальной задачей является правильный выбор технологической схемы и режимов ЭЭО. Современные генераторы импульсов позволяют достаточно эффективно производить обработку одиночных и групповых отверстий, если их глубина не превышает 10-15 диаметров. При многоэлектродной обработке увеличивается производительность процесса, однако возникают проблемы с изготовлением многоэлектродного инструмента и реализацией ЭЭО. Поэтому сегодня перед специалистами стоит задача изыскания новых высокоэффективных процессов ЭЭО.

Для перфорации охлаждающих отверстий в лопатках, в том числе и глубоких отверстий, целесообразно применение струйного метода ЭЭО [2]. Сущность его заключается в ЭЭО вращающимся трубчатым электродом-инструментом (ЭИ), через внутреннюю полость которого прокачивается рабочая жидкость (РЖ) под большим давлением. В качестве РЖ может применяться дистиллированная вода или специальная жидкость на основе углеводородного сырья. Импульсы напряжения на электроды подаются от специального генератора. Для оценки физического механизма струйной ЭЭО информативными являются осциллограммы «напряжение — ток». На них видны импульсы холостого хода и рабочие импульсы, что свидетельствует об аналогии механизмов струйной и традиционной ЭЭО.

С точки зрения технологических показателей обработки, струйная ЭЭО обеспечивает высокую производительность процесса и качество поверхности, хотя не исключает образование на обработанной поверхности измененного слоя. Электрические режимы и состав рабочей жидкости влияют на технологические показатели обработки отверстий и износ ЭИ, который может достигать 100%. При отработке технологического процесса струйной ЭЭО охлаждающих отверстий в лопатках использовали специальную технологическую оснастку, позволяющую ориентировать лопатку так, чтобы ЭИ был направлен к обрабатываемой поверхности лопатки под требуемым углом, как, например, при изготовлении отверстий во входной кромке. В качестве ЭИ были использованы трубчатые электроды из латуни или меди. Диаметр ЭИ определяется диаметром обрабатываемого отверстия. Минимальная толщина стенки 0,05-0,1 мм. Для обеспечения входа в обрабатываемую поверхность под заданным углом применялись направляющие кондукторные втулки.

Экспериментальные исследования по определению технологических схем, режимов и показателей ЭЭО охлаждаемых отверстий в лопатках производились на отечественном станке ... и импортных станках ...

Исследования показывают, что как при струйной ЭЭО, так и при традиционной обработке износ ЭИ и глубина измененного слоя зависят от электрических параметров режима обработки и состава РЖ. Величина износа возрастает с увеличением частоты следования импульсов. При струйной ЭЭО отверстий в лопатках из жаропрочных сплавов с применением дистиллированной воды линейный фактический износ ЭИ составил 80-100 %. При использовании специальных РЖ износ снижается до 30-50 %. Глубина измененного слоя зависит от частоты следования импульсов и рабочего тока: при частоте выше 88 кГц и токе 2-3 А глубина измененного слоя составляет не более 10-15 мкм при обработке указанных материалов.

Металлографические исследования поверхностного слоя отверстий в лопатках турбины из сплава ЖСКС-1ВИ, обработанных методом струйной ЭЭО на производительных режимах, показали, что вдоль отверстий наблюдается измененный слой глубиной до 20-50 мкм. Микротвердость данной зоны HV = 582~645 кгс/мм², а основного материала — HV = 429~449 кгс/мм².

В результате экспериментальных работ определены режимы и условия, обеспечивающие максимальную производительность при сравнительно небольшом износе ЭИ.

Достигнуты следующие показатели обработки:

Точность диаметров отверстий, мм.........0,02 — 0,05

Глубина отверстий, мм............................... 30,0 — 50,0

Скорость прошивки, мм/мин ...................... 5,0 — 10,0

Были также проведены работы по модернизации технологического процесса ЭЭО отверстий диаметром 1,2+0,2 мм в лопатках турбины авиационного двигателя. По существующей технологии отверстия обрабатываются многоэлектродным инструментом на отечественных станках... Максимальная глубина отверстий — 9 мм; материал лопатки — ЖС6У. Для повышения стабильности и надежности ЭЭО были изучены различные технологические приемы: влияние прокачки РЖ, вращение ЭИ, возможность обработки отверстий по программе. Как показали результаты исследований, наиболее эффективной является ЭЭО на станках с ЧПУ в автоматическом режиме с прокачкой РЖ через электрод. Процесс обработки отверстий осуществляется стабильно со скоростью до 2-3 мм/мин. Для повышения качества обработки и уменьшения глубины измененного слоя были проведены эксперименты с применением высокочастотных режимов и технологических схем с орбитальным движением электрода.

Результаты металлографических исследований показывают, что глубина измененного слоя в этом случае не превышает 10-16 мкм. Однако полностью исключить измененный слой после электроэрозионной обработки отверстий в лопатках, даже при использовании мягких режимов на частотах 200 кГц и более, не удается. На обработанной поверхности остается измененный слой глубиной до 5-10 мкм. Известно, что на предприятиях авиационной промышленности применяют различные финишные операции для удаления измененного слоя после ЭЭО. Наиболее перспективной представляется технологическая схема перфорации лопаток турбины в две операции: 1) предварительная высокопроизводительная ЭЭО отверстий; 2) окончательная электрохимическая обработка для удаления измененного слоя.

Время операции электрохимической обработки составляет 8-10 с для удаления слоя толщиной до 100 мкм.

Таким образом, для перфорации охлаждаемых лопаток турбин могут быть использованы электроэрозионные и электрохимические методы обработки, обеспечивающие высокопроизводительную и качественную обработку отверстий, удовлетворяющих требованиям современного производства. Данные процессы были апробированы и внедрены на ФГУП ММПП «Салют» при изготовлении лопаток турбин авиационных двигателей и энергетических машин.

Детали топливной аппаратуры современных авиационных двигателей имеют отверстия различного диаметра и глубины. Анализ номенклатуры деталей показывает, что они имеют глубокие отверстия с L/D >= 50 и прецизионные отверстия; шероховатость поверхности Ra до 2,5 мкм.

Наиболее перспективным методом обработки прецизионных отверстий, с нашей точки зрения, является ЭЭО на станках с компьютерным управлением с использованием различных технологических схем... На станке ... использовались стержневые ЭИ из вольфрама. Необходимый диаметр отверстия обеспечивался за счет орбитального движения ЭИ. Для экспериментов были выбраны две группы деталей:

1) глубокие отверстия 1,0-3,0 мм с L/D >= 25;
2) прецизионные отверстия 0,2+0,02 - 1,0+0,02 мм.

В процессе проведения экспериментов были определены технологические схемы и режимы электроэрозионной обработки, обеспечивающие получение заданных размеров и качества поверхности отверстий. Результаты экспериментов показали, что глубокие отверстия 1,0-3,0 мм можно получать на станках типа «супердрель». Скорость обработки зависит от условий ЭЭО и составляет 5-15 мм/мин на деталях из сплавов 12Х18Н10Т, ВТ-20. Фактические отклонения диаметров отверстий находятся в пределах допуска на размер. Шероховатость поверхности составляет Ra = 2,5-3,2 мкм; глубина измененного слоя на материалах из нержавеющих сталей — 10,0-20,0 мкм.

Одной из наиболее сложных задач в области ЭЭО является получение точных отверстий. Исследования возможности применения струйного метода ЭЭО для этих целей показали, что требуемая точность 0,02-0,03 мм принципиально достижима. Однако эта задача трудновыполнима из-за большого количества факторов, влияющих на точность обработки. Прецизионные отверстия могут быть изготовлены при использовании традиционной ЭЭО с орбитальным движением ЭИ.

Результаты обработки отверстий 0,2-0,4 мм по такой технологической схеме следующие:

Точность обработки, мм ................................. 0,02

Шероховатость поверхности, Ra..................... 1,6

Глубина измененного слоя, мкм............ 6,0—12,0

Результаты исследований были апробированы при ЭЭО отверстий в деталях «форсунка», «сопло», «корпус фильтра» и др. Таким образом, на станках типа «супердрель» возможна обработка глубоких отверстий с L/D <= 100; для получения прецизионных отверстий целесообразно использовать традиционную ЭЭО с применением орбитального движения электрода.

Литература

1. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей. — М.: Дрофа, 2002. — 656 с.

2. Братухин А. Г., Язов Г. К., Карасев Б. Е. и др. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей.— М.: Машиностроение, 1977.

© Copyright 2003 "Металлообработка". Публикуется с сокращениями. Статья опубликована с разрешения редакции журнала "Металлообработка" (ISSN 1684-6703. Подписные индексы по каталогу "Роспечать": "Газеты, журналы" - №14250, "Издания органов НТИ" - №69290).