3238

являются требования высокой скорости обработки при повышенной стойкости электрода, и эти материалы показывают наилучшие эксплуатационные свойства. С увеличением концентрации тугоплавких металлов производительность снижается. Это связано с увеличением удельного электросопротивления за счет пористости и концентрации тугоплавкого металла. Ухудшение электропроводности приводит к уменьшению числа разрядов, снижающих производительность ЭЭО [2].

При увеличении объема таунита в системах медь – углеродная фаза увеличивается пористость, так как ввиду высокой удельной поверхности наноматериала существенно сокращается площадь металлического контакта и ухудшаются условия сращивания частиц при спекании (0,1 % – пористость 13 %, 0,3 % – пористость 25 %). При добавлении коллоидального графита к электролитическому порошку пористость незначительно снижается. Наблюдается незначительное повышение электросопротивления при увеличении объема коллоидального графита до 5 %. Добавление таунита способствует увеличению удельного электросопротивления композиционного материала.

Относительный износ ЭИ из спеченного порошка чистой меди больше в 15 раз, чем в композиционных материалах. В системе медь – графит улучшение эксплуатационных свойств достигается за счет низкого электросопротивления композиционных материалов даже с достаточно высокой пористостью (до 13 %). Кроме того, улучшение свойств обусловлено формированием трехмерной сетки из тугоплавкой фазы с меньшим размером ячейки (капилляра) за счет более высокой дисперсности частиц тугоплавкой фазы – графита [3].

Анализ влияния тугоплавкой керамической фазы показывает, что при увеличении объема тугоплавкой фазы увеличивается пористость. При этом пористость в системах медь – карбид по абсолютному значению выше, чем в системах с карбонитридом титана и карбосилицидом титана. Наибольшая пористость наблюдается у систем с карбидами вольфрама, титана

30

и карбонитридом титана, так как эти соединения не взаимодействуют с медью, а наименьшая – в системах с карбосилицидом титана [4].

Вывод. При исследовании эксплуатационных свойств ЭИ установлено, что нанесение электропроводящих медных покрытий методом термического испарения в вакууме на стальной электрод-инструмент понижает относительный износ в 1,5 раза, на латунный – на 15 %. При увеличении содержания тугоплавкой фазы в композиционных материалах увеличивается пористость в системах с отсутствием химического взаимодействия при спекании меди и тугоплавких фаз и сокращением площади металлического контакта. Пористость и электросопротивление оказывают влияние на относительный износ электрода: чем больше пористость и электросопротивление композиционного материала, тем больше износ.

Литература

1.Немилов Е.Ф. Справочник по электроэрозионной обработке материалов. – М.: Машиностроение, 1989. – 146 с.

2.Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Новые композиционные материалы на основе несмешивающихся компонентов: получение, структура, свойства. – М.: Изд-во МГИУ, 1999. – 208 с.

3.Ивенсон В.А. Феноменология спекания и некоторые вопросы теории. – М.: Металлургия, 1985. – 247 с.

4.Косолапова Т.Я. Карбиды. – М.: Металлургия, 1968. –

300 с.

Воронежский государственный технический университет

31

УДК 621.9.048.4

А.И. Болдырев, Г.А. Сухочев, С.О. Сизоненко

ТЕХНОЛОГИЯ ЭРОЗИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КАНАЛОВ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ

Ключевые слова: эрозионно-термическая обработка, эрозионная обработка, термически активное покрытие, каналы, технология

В статье представлена технология получения каналов сложного профиля эрозионно-термической обработкой. Показаны возможности обработки, выбор оптимальных режимов, показана практическая реализация предложенной технологии

В современном машиностроении широкое применение находят материалы с повышенными механическими свойствами. При изготовлении деталей из таких материалов получение отверстий трудоемкое. Применение электроэрозионной обработки отличие от лезвийных методов обработки способствует получению более качественных деталей с низкой шероховатостью и точностью размеров.

Детали с каналами малого сечения имеют различную геометрию, постоянное и переменное сечение. К ним предъявляются повышенные требования шероховатости и работоспособности поверхностей. Малые размеры сечений (2-3 мм) не позволяют эффективно использовать традиционные методы обработки [1].

Один из способов интенсификации электроэрозионной обработки - нанесение на электрод-инструмент слоев материалов, способных создавать кумулятивный эффект. Наиболее подходящим для такого вида обработки является изготовление электродов с покрытием цинком [2].

При выборе рабочих сред для электроэрозионной обработки наибольшее использование нашли: керосин; вода дис-

32

тиллированная; вода техническая; углеводородные составы. Все рабочие среды имеют свою область использования.

Промышленная вода может иметь различные диэлектрические свойства. Если постоянная ионизации воды больше 0,68 (моль/кг) , то необходимо выполнять деионизацию. В случае низкой постоянной производят ионизацию, что необходимо для усиления «поджига».

Использование углеводородных сред на основе масел позволяет повысить качество поверхностного слоя, но уменьшает скорость съема металла. Преимуществом таких сред является высокая температура возгорания (400-450 К), что снижает требования по пожаробезопасности, особенно при больших объемах ванн.

Для электродов с покрытием требуется повышенное напряжение в пределах 100–130 В, что не выходит за пределы рекомендаций по напряжению на стадии черновой обработки [2]. В рабочем диапазоне импульсов скорость удаления припуска для электродов с покрытием до 10–15 раз выше, чем без покрытия. Этот показатель ограничен необходимостью получения качественного поверхностного слоя, что обеспечивается использованием инструмента или его части для калибровки участком электрода без покрытия. Электрод, рассчитанный с учетом покрытия цинком с переменной толщиной (до 50 мкм на начальном участке), позволяет интенсифицировать процесс, увеличивая подачу до 11–12 раз (при малых энергиях разряда). Шероховатость поверхностного слоя при интенсификации процесса возрастает за счет глубины единичных лунок. При использовании электродов с покрытием часть лунки на детали формируется за счет импульса энергии, другая – из-за кумулятивного действия теплового факела. В результате возникает углублении с большим, чем при использовании электрода без покрытия, диаметром и глубиной неровностей.

Высота неровностей при обработке электродами с покрытием на порядок и более превышает шероховатость, получен-

33

ную на «мягких» режимах обработки электродами без покрытия.

При использовании электродов-инструментов с покрытием калибровка поверхности происходит при действии части электрода без покрытия, что обеспечивает получение шероховатости Ra в пределах 3–5 мкм, что отвечает требованиям чертежа к межлопаточным каналам. Если использовать калибрующие операции на «мягких режимах», то можно получить поверхности с Ra = 0,3–0,5 мкм [3].

На усталостную прочность деталей большое влияние оказывает измененный слой, углубления которого являются концентраторами напряжений. Глубина микрорастравливаний в 1,2–1,6 раза выше по сравнению с глубиной лунки. Величина микротрещин составляет до 0,03 мм. При этом воздействие теплового факела при кумулятивном эффекте вызывает дополнительные нарушения качества поверхностного слоя только в области малых энергий импульса.

При электроэрозионной обработке основные погрешности появляются из-за износа электрода-инструмента. На величину износа в основном влияние оказывают теплофизические характеристики материала. Для латунного электрода износ составляет 10-30%, для цинка - 70-90% от объема снятого материала.

При использовании латунного электрода с покрытием износ снижается на порядок и более, так как основная часть (до 80%) материала заготовки снимается за счет комулятивного эффекта, а повышенная эрозия цинкового покрытия за счет обратной полуволны тока, отнесенная к общему съема материала с анода, дает относительный износ не более 2–4%. Это ниже, чем при использовании меднографитовых инструментов, применяемых при прошивке.

Применение эрозионно-термической обработки находит место для межлопаточного канала турбин, подлежащая прошиванию. Поверхность является условно открытой, т.е. формооб-

34

разование возможно только в одном направлении и применение электродов технологически не реализуется. Вследствие этого процесс формообразования разделяется на два этапа: черновое прошивание и чистовые проходы, окончательно формирующие геометрию поверхности лопаток турбины.

Введение специально спрофилированного чернового электрода, позволяет максимально выбрать зону прошивания, оставляя лишь припуск на чистовой проход. Это дает возможность снизить время работы электродов, что в конечном итоге значительно сокращает технологический цикл обработки. Уменьшение зоны обработки в свою очередь приводит к уменьшению износа чистовых электродов, следовательно, к повышению точности профиля лопаток. Использование кумулятивного эффекта эрозионно-термической обработки на этапе предварительного прошивания позволяет снизить общее время обработки с 32-х на 4-5 смен, что сокращает технологический цикл изготовления агрегата в целом.

Вывод. Применение эрозионно-термической обработки как интенсификация электроэрозионной обработки является актуальным способом получения каналов сложного профиля, так как позволяет решать технологические проблемы, возникающие при производстве деталей с мелкоразмерными каналами. Благодаря эрозионно-термической обработки увеличивается предел усталостной прочности до 60%.

Литература

1.Сухочев Г.А. Управление качеством изделий, работающих в экстремальных условиях при нестационарных воздействиях / Г. А. Сухочев. – М.: «Машиностроение», 2004. – 287 с.

2.Технологии производительного формирования комбинированными методами поверхностей полостей и каналов под нанесение защитных покрытий / Г.А. Сухочев, Е.Г. Смольян-

35

никова, С.Н. Коденцев, Д.М. Небольсин // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2009. – № 11(59). – С. 49–54.

3. Болдырев А.И. Обеспечение заданного качества поверхностного слоя каналов комбинированной обработкой / А.И. Болдырев // Известия ОрелГТУ. – 2009. – № 2- 3/274(560).

– С. 59-63.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.9.047; 658.562

Г.А. Сухочев, В.Н. Сокольников, С.Н. Коденцев, З.И. Бевзюк

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА БАЛАНСИРОВКИ И ДОВОДКИ РОТОРОВ ЖРД

Ключевые слова: балансировка ротора, динамическая балансировка, дефекты поверхности, технологические схемы упрочнения, микрошарики

В данной статье рассмотрены технологические аспекты доработки по результатам динамической балансировок высокооборотных роторов турбонасосных агрегатов, приведены технологические схемы упрочнения дефектной поверхности, показаны пути совершенствования процессов

К современным энергетическим машинам, энергоустановкам космических аппаратов предъявляются высокие требования по надёжности, точности, ресурсу и долговечности. Самым главным критерием предъявляемый к ракетно-космической технике является коэффициент полезной нагрузки, который напрямую зависит от параметров самой ракеты и в частности напрямую от параметров двигателя ракетоносителя. Для достижения всех этих параметров и увеличения возможностей двигателя проводят манипуляции со скоростью вращения роторов – увеличивают скорость вращения ротора до предела. Однако при повышении частоты вращения роторов возникают сложности в процессе обеспечения сборки и процессе получения стабильных параметров ротора. Так, при частоте 50 об/сек и разности расстояний между центром тяжести ротора и осью вращения 0,1 мм давления на подшипники будут соответствовать весу ротора. При увеличении частоты вращения до 100 об/сек давления на подшипни-

36

ки будут в четыре раза превосходить статические, а при скорости до 500 об/сек - в 100 раз больше веса ротора [1].

Современные же турбонасосные агрегаты (ТНА) и турбонасосные гидроагрегаты (ТНГА), применяемые в ракетно-космической технике, имеют частоты вращения ротора от 1000 об/сек и более. В связи с этим, их подшипники даже при небольшом смещении центра тяжести ротора воспринимают сильнейшие нагрузки. Высокие статические и динамические нагрузки влияют, прежде всего, на работоспособность рабочих колес водородного насоса и лопаток рабочих колес турбины, как наиболее напряженных элементов не только турбонасосного агрегата (ТНА), но и всего двигателя. Относительно большие радиальные габариты и сложная силовая схема корпусных деталей способствуют тому, что ряд элементов конструкции ТНА работает в области упругопластических деформаций. Достижение требуемой долговечности конструкции ТНА делает актуальной задачу обеспечения малоцикловой и многоцикловой усталости при высоком уровне напряженности элементов его конструкции. Важной проблемой при создании таких ТНА, работающих на самом перспективном экологически чистом горючем водороде, является присущая всем конструкционным материалам «водородная деградация» свойств, проявляющаяся в снижении прочностных и пластических характеристик, ускорении ползучести, снижении трещиностойкости, усталостной и длительной прочности и приводящая в конечном итоге к преждевременному разрушению конструкции [1].

Для избегания таких нагрузок на подшипники для роторов всех видов турбонасосных агрегатов, и не только, ввели требование по балансировке и фактическому дисбалансу роторов. Надежность жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) в значительной степени определяется динамическими нагружениями и колебаниями роторов ТНА, возникающими на установившихся и переходных режимах работы. Даже кратковременные выходы их за допустимые пределы часто приводят к поломкам подшипников, возгораниям кислородных насосов, разгарам и разрывам корпусов, другим опасным авариям ЖРД. В общем виде известные методы балансировки [2] делятся:

- по назначению - балансировка деталей, жестких и гибких собранных роторов, роторов на объектах (например, роторов крупных энергетических паровых и газовых турбин);

37

-по величине частоты вращения балансируемого ротора - низкочастотная и высокочастотная балансировка;

-по числу плоскостей коррекции - балансировка в одной, двух

итрех плоскостях;

-по способу корректировки масс - уменьшением, добавлением или перестановкой корректирующих масс.

Все эти схемы объединяет одно, что для приведения центра массы на ось или (при невозможности такого приведения) для снижения сил, действующих на опоры, проводится балансировка роторов посредством либо снятия части металла конструкции со стороны "тяжелого" места, либо установки дополнительных грузов со стороны "легкого" места.

В производстве ТНА применяется два наиболее распространенных вида балансировки вращающихся деталей и узлов этого агрегата [2] – статистическая – для центробежных и осевых колес, импеллеров, дисков турбин и других составных частей ротора в качестве предварительной. Заключается она в использовании комплекса технологических операций по определению места и установки балансировочных грузов с целью уменьшения главного вектора дисбалансов не вращающегося ротора. У неуравновешенной детали ее масса располагается несимметрично относительно оси вращения. Поэтому при статическом положении такой детали, т. е. когда она находится в покое, центр тяжести будет стремиться занять нижнее положение (рисунок 1). Для уравновешивания детали добавляют с диаметрально противоположной стороны груз массой Т2 с таким расчетом, чтобы его момент Т2Т2 был равен моменту неуравновешенной массы ТХ. При этом условии деталь будет находиться в равновесии при любом положении, так как центр тяжести ее будет лежать на оси вращения. Равновесие может быть достигнуто также путем удаления части металла детали высверловкой или фрезерованием со стороны неуравновешенной массы ТХ.

После статической проводится динамическая балансировка, которая основана на установлении взаимосвязи реакций в опорах вращающегося ротора с дисбалансом масс, и включает целый ряд операций, конечная цель которых заключается в определении положения и массы балансировочных грузов, в их установке (или удале-

38

нии) на ротор с целью уменьшения дисбаланса до регламентируемого технической документацией.

Рис. 1. Схема статической балансировки колеса турбины на ножах:

ТХ — масса неуравновешенной детали; Т2 — масса уравновешивающего груза; r1 г2 — их расстояния от оси вращения) или не-

точной центровки валов

Процесс приведения центра массы вращающегося узла (детали) к оси вращения во всех плоскостях, перпендикулярных ей, называется динамической балансировкой.

При идеальной динамической уравновешенности центры массы в любой из указанных плоскостей узла (детали) должны лежать на оси вращения. Такая ось вращения называется свободной осью. На нее не действуют силы инерции, и вибрация подшипников в этом случае будет отсутствовать. Таково теоретическое толкование динамической балансировки.

Так как практически невозможно определить местоположение плоскости неуравновешенности, то процесс динамической балансировки сводится к устранению или, вернее, к снижению до допустимого уровня инерционных сил, действующих на опоры ротора.

39