СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФАСОННЫХ ОТВЕРСТИЙ
METHOD OF PRODUCING SHAPED BORES

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим способам обработки отверстий и может быть использовано при комбинированной электроэрозионно-химической обработке (ЭЭХО) охлаждающих отверстий в турбинных лопатках.
КПД турбины и тяга газотурбинного двигателя напрямую зависят от температуры газов, выходящих из камеры сгорания и обтекающих лопатки турбины. Повышение температуры газов, увеличивающих тягу двигателя, отрицательно сказывается на лопатках турбины. Охлаждающе отверстия лопаток выполняют с расширяющимся и изогнутыми диффузорами.
Известен электроэрозионный способ изготовления отверстий проволочным электродом-инструментом или набором электродов под заливом в диэлектрической рабочей жидкости (А.Г.Братухин, Г.К.Язов и др. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение. 1997. С.355). Недостатками известного способа являются:
- изготовление только цилиндрических отверстий;
- образование на внутренней поверхности обрабатываемых отверстий термически измененного слоя, содержащего поры, микротрещины и прочие дефекты, ухудшающие эксплуатационные качества лопаток.
Известен способ струйной электрохимической прошивки отверстий, не оставляющий после себя измененного слоя (Б.А.Артамонов и др. Размерная электрическая обработка металлов. М.: Высшая школа. 1978. С.269). Обработку отверстий производят стеклянными капиллярными электродами-инструментами или титановыми трубками с изолированной боковой поверхностью. Рабочую жидкость (растворы кислот) прокачивают сквозь электрод-инструмент.
Недостатки данного способа:
- изготовление только цилиндрических отверстий;
- ненадежность прошивки отверстий под углом к обрабатываемой поверхности.
Известен способ лазерной прошивки фасонных отверстий (Рекламные материалы фирмы WINBRO GROUP technology (Великобритания) 2007). Лазерный луч, перемещаясь по определенным траекториям, заданным управляющей программой СЧПУ, прожигает фасонное отверстие с диффузором.
Недостатки данного способа:
- образование оплавленного термически измененного слоя;
- необходимость защиты противоположной стенки внутренней полости лопатки от воздействия лазерного луча.
Известен способ изготовления конических отверстий катодом-инструментом с подачей электролита сквозь него (А.Г.Бойцов, А.П Ковалев и др. Процессы механической и физико-химической обработки в производстве авиационных двигателей, стр.393, М.: Изд-во МГТУ, 2007 г.).
Это наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату техническое решение принято за прототип.
К недостаткам данного способа относятся:
- образование термически измененного слоя на поверхности отверстия;
- «строчность» внутренней поверхности отверстия;
- сложность траекторий перемещения ЭИ при построчном и послойном удалении материала и, как следствие, необходимость в составлении сложных и громоздких управляющих программ, а также увеличение трудоемкости изготовления отверстий.
Предложенное техническое решение отличается от известного тем, что в качестве катода-инструмента используют трубчатый электрод-инструмент, при этом электрод-инструмент вращают, а его осевое перемещение осуществляют с переменной скоростью. При этом осевое перемещение трубчатого электрода-инструмента осуществляют с ускорением и одновременно с осевым перемещением трубчатый электрод-инструмент дополнительно перемещают по закручивающейся спирали. Кроме того, перемещение трубчатого электрода-инструмента по закручивающейся спирали осуществляют с осевым смещением витков спирали в сторону оси цилиндрического отверстия. И еще, предложенное техническое решение отличается от известного тем, что при изготовлении фигурного отверстия вначале выполняют глухое отверстие осевым перемещением и вращением трубчатого электрода-инструмента в заготовке, затем меняют направление подачи электрода-инструмента на противоположное, а трубчатый электрод-инструмент одновременно перемещают по раскручивающейся спирали. При этом перемещение трубчатого электрода-инструмента по раскручивающейся спирали осуществляют с осевым смещением витков спирали в сторону от оси цилиндрического отверстия.
Техническим эффектом предложения является повышение качества обработки отверстий, исключение необходимости использования специального инструмента при изготовлении отверстий, а также расширение технологических возможностей предложения выполнением отверстий различной формы.
Технический эффект предложения достигается тем, что способ изготовления фасонных отверстий в турбинной лопатке комбинированной электроэрозионно-химической обработкой, при котором катод-инструмент перемещают вдоль оси и подают сквозь него электролит, отличается тем, что в качестве катода-инструмента используют трубчатый электрод-инструмент, при этом трубчатый электрод-инструмент вращают, а его осевое перемещение осуществляют с переменной скоростью. Технический эффект осуществляется и тем, что осевое перемещение трубчатого электрода-инструмента осуществляют с ускорением, при этом одновременно с осевым перемещением трубчатый электрод-инструмент дополнительно перемещают по закручивающейся спирали, и тем, что перемещение трубчатого электрода-инструмента по закручивающейся спирали осуществляют с осевым смещением витков спирали в сторону оси цилиндрического отверстия.
Технический эффект достигается еще и тем, что при изготовлении фигурного отверстия вначале выполняют глухое отверстие осевым перемещением и вращением трубчатого электрода-инструмента в заготовке, затем меняют направление подачи электрода-инструмента на противоположное, а трубчатый электрод-инструмент одновременно перемещают по раскручивающейся спирали. При этом перемещение трубчатого электрода-инструмента по раскручивающейся спирали осуществляют с осевым смещением витков спирали в сторону от оси цилиндрического отверстия.
Изобретение поясняется фигурами, на которых изображено следующее:
фиг.1 - конфигурация отверстия с расширяющимся диффузором, где
1 - диффузорная часть отверстия; 2 - цилиндрическая часть отверстия;
фиг.2 - конфигурация отверстия со смещенным диффузором, где
1 - диффузорная часть отверстия; 2 - цилиндрическая часть отверстия;
фиг.3 - схема формирования конусности отверстия, где
б
сеч
т
отв
Δ - боковой межэлектродный зазор; h - глубина поперечного сечения отверстия; Δ - торцевой межэлектродный зазор; h - глубина отверстия;
фиг.4 - продольное сечение конусного отверстия;
фиг.5 - схема формирования конусности отверстия при повышении скорости перемещения ЭИ;
фиг.6 - продольное сечение отверстия, изготовленного с повышенной скоростью подачи;
фиг.7 - траектория ЭИ и конфигурация отверстия в горизонтальной плоскости X-Y, где 1 - траектория перемещения электрода в плоскости, перпендикулярной оси электрода X-Y; 2 - конфигурация диффузорной части отверстия в сечении, перпендикулярном оси электрода;
фиг.8 - траектория перемещения ЭИ и конфигурация отверстия в вертикальной плоскости Y-Z, где 1 - траектория перемещения электрода в вертикальной плоскости, параллельной оси электрода Y-Z; 2 - конфигурация диффузорной части отверстия в сечении, перпендикулярном оси электрода;
фиг.9 - траектория ЭИ и конфигурация отверстия в вертикальной плоскости X-Z, где 1 - траектория перемещения электрода в вертикальной плоскости, параллельной оси электрода X-Z; 2 - конфигурация диффузорной части отверстия в сечении, перпендикулярном оси электрода.
Выполнение фигурного отверстия (диффузора) в заготовке трубчатым электродом-инструментом (ЭИ).
Трубчатый ЭИ подключают к отрицательной клемме источника тока, а обрабатываемую заготовку - к положительной. Затем ЭИ подводят к обрабатываемой заготовке и включают его вращение. В полость трубчатого ЭИ подают электролит. На межэлектродный промежуток подают чередующиеся электроэрозионные и электрохимические импульсы напряжения. Электроэрозионная составляющая процесса позволяет врезаться ЭИ в поверхность заготовки под различным его углом. Посредством этой электроэрозионной составляющей процесса ЭИ удаляет материал с торца инструмента. Посредством электрохимической составляющей процесса ЭИ формирует отверстие и удаляет измененный слой, образовавшийся в отверстии после электроэрозии. Расширяющуюся (коническую) часть отверстия получают ускорением осевого перемещения ЭИ. С увеличением ускорения конусность отверстия уменьшается (фиг.5, 6), а с уменьшением увеличивается (фиг.3, 4).
На форму отверстия влияет различное время обработки кольцевых участков отверстия по его глубине и изменение величины бокового зазора между ЭИ и поверхностью отверстия. Диффузору придают разнообразие его формы перемещением трубчатого ЭИ по закручивающейся спирали (см. фиг.1, 2) с одновременным осевым смещением витков спирали в сторону оси отверстия (фиг.7, 8, 9).
Электрохимическая реакция будет проходить в зонах наименьшего межэлектродного зазора. Анодное растворение будет формировать боковые поверхности диффузора. По достижении необходимой глубины фигурного отверстия (диффузора) прекращают перемещения ЭИ. Скорость поступательного перемещения ЭИ увеличивают. При этом осуществляют электроэрозионно-химическую прошивку цилиндрической части отверстия.
Фасонное отверстие со смещенным диффузором получают еще и тем, что вращением и осевым перемещением трубчатого электрода-инструмента вначале изготавливают глухое отверстие в заготовке. Затем направление подачи трубчатого электрода-инструмента меняют на противоположное, а ЭИ одновременно с этим перемещают по раскручивающейся спирали со смещением ее витков в сторону от оси изготовленного отверстия.
На стенках изготовленного фигурного отверстия по всей его глубине отсутствует измененный слой и не наблюдается «строчности».
Примеры изготовления отверстий.
Изготовление отверстий производилось на макетном образце станка с ЧПУ для комбинированной электроэрозионно-химической прошивки охлаждающих отверстий в турбинных лопатках. Основные узлы станка: узел крепления и вращения трубчатого электрода-инструмента; станция подготовки и регенерации электролита; насос высокого давления; механизм крепления и перемещения направляющей кондукторной втулки; генератор электроэрозионных и электрохимических импульсов; система числового программного управления рабочей подачей электрода-инструмента.
Пример 1
3
Комбинированная электроэрозионно-химическая прошивка отверстий с коническим диффузором. Заготовка - турбинная лопатка из жаропрочного, монокристаллического сплава на никелевой основе. Электрод-инструмент - латунная трубка с наружным диаметром 0,3 мм и внутренним диаметром 0,1 мм. Электролит - водный раствор NaNO. Электролит подается в трубчатый электрод-инструмент под давлением 120 атм. Электрические режимы обработки: напряжение электроэрозионного импульса 60 В, длительность электроэрозионного импульса 1,5 мкс, напряжение электрохимического импульса 12 В, длительность электрохимического импульса 50 мкс.
Глубина прошиваемого отверстия 7 мм. До глубины 3 мм отверстие прошивается со скоростью рабочей подачи 2 мм/мин. Далее скорость увеличивается до 9 мм/мин и отверстие прошивается на полную глубину 7 мм.
На глубине 3 мм образуется конус. На входе диаметр отверстия 1,5 мм, на глубине 3 мм диаметр 0,6 мм. Далее на полную глубину 7 мм образуется цилиндрическая часть отверстия с диаметром 0,6 мм.
На внутренней поверхности отверстия измененного слоя не образуется.
Пример 2
Комбинированная электроэрозионно-химическая прошивка отверстий с изогнутым диффузором. Режимы те же, что и в Примере 1.
Диффузорная часть отверстия формируется совместным вертикальным и горизонтальным перемещением электрода-инструмента, причем в горизонтальной плоскости электрод перемещается по треугольной спирали, сужающейся в сторону оси цилиндрической части отверстия. Скорость горизонтального перемещения электрода 8 мм/мин, при этом скорость вертикального перемещения изменялась ступенчато, от витка к витку, от 3 до 8 мм/мин. Горизонтальная проекция первого витка спирали -равнобедренный треугольник с основанием 0,5 мм и высотой 0,5 мм.
Далее формировали цилиндрическую часть отверстия. При этом электроду не придавали горизонтальных перемещений, а лишь вертикальные со скоростью 9 мм/мин.
В результате получили диффузорное отверстие, имеющее в плане равнобедренный треугольник со скругленными углами, основанием 0,8 мм и высотой 1,0 мм. Диаметр цилиндрической части отверстия - 0,6 мм.
При использовании изобретения повышается качество обрабатываемых отверстий различной формы в заготовке, исключается необходимость в специальном инструменте и при этом расширяются технологические возможности предложения. Измененного слоя и «строчности» поверхности не наблюдается.