автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Научно-методическое обеспечение технологической унификации операций электрохимической размерной обработки изделий авиационной техники

4

Саушкни Степан Борисович

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УНИФИКАЦИИ ОПЕРАЦИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.02.08 - «Технология машиностроения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-20 П

О з идр 2077

4839864

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете

«МАМИ»

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент

Моргунов Юрий Алексеевич

Доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты: Бойцов Алексей Георгиевич

Кандидат технических наук, доцент Заставный Евгений Александрович

Ведущая организация: Российский Государственный Технологический

Университет «МАТИ» им. К.Э. Циолковского

Защита состоится 17 марта 2011 года в 46 часов в аудитории Б-304 на заседании диссертационного совета ДМ 212.140.02 в Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 107023, Москва, ул. Б. Семеновская, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного технического университета «МАМИ», с авторефератом - на сайте www.maini.ru.

Отзывы в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью организации, просьба направлять в адрес диссертационного совета, E-mail: kanc@mami.ru

Автореферат разослан 16 февраля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор М.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из основных задач современного машиностроительного производства является снижение себестоимости выпускаемой продукции при обеспечении высокого уровня качества. В условиях многономенклатурного малосерийного производства важным и востребованным инструментом снижения удельных производственных ресурсозатрат является технологическая унификация, которая осуществляется на различных уровнях. В основе организационно-технических мероприятий по технологической унификации лежит унификация операций.

Если унификация операций механообработки получила теоретическое, методическое и организационное развитие и нашла широкое практическое применение, то для операций, основанных на электрофизических и электрохимических методах обработки, это направление совершенствования производства изучено и используется недостаточно.

Предварительный анализ проблемы, выполненный автором, показал, что сказанное в полной мере относится к операциям электрохимической размерной обработки (ЭХРО), используемым в технологиях авиационного двигателестроения. Низкий уровень унификации этих операций приводит к увеличению ресурсозатрат при технологической подготовке производства новых изделий, малой фондоотдаче из-за недостаточной загруженности станочного парка электрохимических станков, снижению производительности труда.

Унифицированные технологические процессы и средства технологического оснащения для операций электрохимической обработки развиты недостаточно, справочные и методические материалы для их разработки, пригодные для использования в цеховых условиях, практически отсутствуют.

Низкий уровень унификации затрудняет применение современных технологий проектирования операций ЭХРО, снижает их эффективность и конкурентоспособность по отношению к операциям обработки другими методами.

Целыо диссертационной работы является повышение эффективности технологических процессов электрохимической обработки изделий на основе применения принципа технологической унификации.

Основные задачи исследования:

1. Разработать модели унификации технологического процесса ЭХРО, модели средств технологического оснащения, обеспечивающие структурный анализ объектов моделирования, методику синтеза объектов моделирования и методику принятия обоснованных технических решений.

2. Обобщить, дополнить и унифицировать базу данных для проектирования технологических процессов ЭХРО изделий авиационной техники.

3. На основе моделирования процессов электрохимического формообразования разработать инженерную методику выбора и оптимизации параметров режима для унифицированной операции ЭХРО пера лопаток компрессора.

4. Обосновать технический облик перспективного электрохимического лопаточного станка, разработать инженерную методику создания переналаживаемой технологической оснастки.

5. Выполнить статистический анализ точности операции ЭХРО обработки пера лопаток с целью обоснования принятых технических решений.

6. Разработать технологические рекомендации и унифицированные технологические операции ЭХРО деталей ГТД.

Научная новизна работы заключается в разработке моделей объектов и процедур унификации технологий ЭХРО, обобщении и расширении унифицированной базы данных для технологического проектирования, разработке и анализе модели многопереходной операции ЭХРО.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Создана система моделей, описывающих процесс технологической унификации операций ЭХРО, выявлены, описаны и апробированы конкретные процедуры унификации, уточнена методика технико-экономической оценки результатов технологической унификации.

2. Предложена модель оценки конкурентоспособности операций электрохимической обработки по отношению к альтернативным технологиям обработки резанием. Разработана методика выбора наилучшего варианта обработки в зависимости от геометрических размеров изделия.

3. Получены и обобщены новые сведения об электрохимической обрабатываемости группы авиационных материалов в виде предметно ориентированной базы технологических данных.

4. На основе теоретического анализа суммарной погрешности изготовления профиля пера лопатки компрессора предложена и обоснована модель оптимизации параметров режима операции электрохимической обработки пера.

Практическая значимость работы заключается в разработке и обосновании инженерных методик расчета, практических рекомендаций, технологических процессов и элементов средств технологического оснащения, обеспечивающих создание высокоэффективных типовых и групповых операционных технологий ЭХРО:

1. Разработана инженерная методика технологической унификации операций электрохимической обработки, и на ее основе сформулированы рекомендации по повышению уровня унификации конкретных технологий.

2. Предложена информационно емкая технологическая характеристика материала в виде паспорта его электрохимической обрабатываемости (НЭХО), разработана форма такого паспорта.

3. Разработана унифицированная технология обработки пера лопаток компрессора и проведена технико-экономическая оценка ее эффективности.

4. Сформирован технический облик перспективного широкодиапазонного лопаточного электрохимического станка нового поколения.

5. Разработана эффективная унифицированная технология электрохимической трепанации окон в деталях топливной аппаратуры.

Достоверность результатов исследований н разработок обеспечивается научно обоснованной методологией теоретических исследований, применением апробированных методик и оборудования для экспериментальных исследований, оценкой точности отдельных измерений, преемственностью полученных результатов и их проверкой в цеховых условиях.

Корректность постановки и решения теоретических и прикладных задач и адекватность предложенных моделей подтверждается использованием при их разработке фундаментальных положений и принципов технологии машиностроения, теоретической и прикладной электрохимии, привлечением методов и средств системного анализа, результатов статистической обработки данных.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы предложены и приняты к внедрению на базовом предприятии ФГУП «ММПП «Салют» в виде:

- технологических рекомендаций по проектированию унифицированных технологий ЭХРО;

- базы данных для технологических расчетов операций ЭХРО;

- практической методики оптимизации параметров режима операции электрохимического формообразования пера лопаток компрессора;

- эскизного проекта перспективного лопаточного станка нового поколения с повышенными функциональными и эксплуатационными характеристиками;

- проекта унифицированной технологии и средств технологического оснащения для обработки пера рабочих лопаток выбранной номенклатуры с технико-экономическим обоснованием эффективности мероприятий по технологической унификации;

Технический эффект от внедрения мероприятий по унификации операции электрохимической обработки пера лопаток компрессора заключается в снижении трудоемкости операции, повышении технологической надежности, снижении трудоемкости проектных работ при технологической подготовке производства новых изделий. Расчетный экономический эффект от внедрения мероприятий по технологической унификации в производстве рабочих лопаток компрессора составляет на конец 2010 года 1822 тыс.рублей.

Апробация работы. Отдельные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Молодые ученые-2006» (г.Москва, 2006); Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» (г.Кострома, 2007); научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности».- (г.Москва, МАИ, 2007); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2008»

(г.Москва, МАТИ, 2008); научно-техническом семинаре «Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства» (г.Москва, МГТУ «МАМИ», 2009); Международной научно-технической конференции «Электроэрозионные и электрохимические технологии в производстве наукоемкой продукции» (г.Москва, 2010); Международной научно-технической конференции «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» (г. Москва, 2010).

Промежуточные результаты и работа в целом докладывались на семинарах кафедры «Технология машиностроения» МГТУ «МАМИ» в 20082010 г.г.

Публикации по теме диссертации. По материалам диссертации опубликованы 14 печатных работ, 6 из которых включены в перечень ВАК для опубликования материалов диссертационных работ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 153 наименований и приложений на 48 страницах. Работа содержит 61 рисунок, 13 таблиц и 154 страницы текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные результаты работы и приведена ее краткая характеристика.

В первой главе проведен обзор работ, связанных с тематикой диссертации. Выполнен анализ уровня знаний в области технологий электрохимического формообразования, выделены перспективные направления развития метода и технологий на его основе. Отмечен вклад отечественных ученых, в первую очередь Ф.В. Седыкина, Ю.Н. Петрова, А.Г. Атанасянца, Ю.С. Волкова, В.П. Смоленцева, H.A. Амирхановой, Г.Н. Корчагина, А.Х. Каримова, Г.Н. Зайдмана, Е.М. Румянцева, Н.Д. Проничева, Л.Б. Уварова в развитие теории и практики электрохимической размерной обработки.

Показано, что в условиях современного многономенклатурного машиностроительного производства с учетом ограниченности инвестиций эффективным средством снижения удельных ресурсозатрат и повышения качества продукции является технологическая унификация. Если в области технологий механообработки в этом направлении достигнуты значительные успехи, в первую очередь благодаря работам С.П. Митрофанова, Б.М. Базрова, то в области технологий, основанных на электрофизических и электрохимических методах формообразования, из-за присущих им специфических особенностей, имеются неиспользованные резервы совершенствования производства.

Внедрение унифицированных технологий электрохимической обработки осложняется тем, что справочные и методические материалы для их разработки, пригодные для использования в цеховых условиях, практически

отсутствуют. Сказанное усугубляется тем, что значительный объем экспериментального материала, накопленного в 70-90-е годы прошлого века в области высокоскоростного анодного растворения металлов и технологических разработок в этой области не получили должного обобщения в виде систематизированных баз знаний.

Втораи глава посвящена методическому обеспечению диссертационной работы. В ней представлена структурно-логическая схема проведения теоретических, экспериментальных и прикладных работ, описаны основные методики и оборудование для экспериментальных исследований, приведены технические характеристики использованного в работе промышленного оборудования.

Для экспериментального исследования обрабатываемости материалов авиационного двигателестроения использованы электрохимическая ячейка с вращающимся дисковым электродом и ячейка с прямоточным каналом.

При выполнении исследований использовались водные растворы минеральных солей квалификации «Ч»: NaCl, NaBr, KBr, NaNOj, NaCl04. Применялись также бисолевые растворы: NaCl/NaNC>3, NaCl/NaCl04. Для приготовления растворов использовали дистиллированную воду.

Станочные эксперименты проводились в цеховых условиях на универсальном копировально-прошивочном станке ЭТМ-200К, прошивочном станке «Искра-12М», лопаточном станке ЭХВИС - 5000Ф2. Измерения геометрических параметров деталей и заготовок проводили на трехкоординатной измерительной машине фирмы ZEISS (Германия) модификации UPMC САРАТ, а измерения параметров шероховатости ' поверхности выполняли на профилографе-профилометре модели SJ-301 компании Mitutoyo Corporation.

Третья глава включает в себя комплект моделей для описания процессов, процедур и объектов унификации.

Математическая модель процесса проектирования унифицированной технологии представлена в виде

S(D) = {S(A),p,S(P),S(T)}. 0)

где S(A) - модель исходного унифицированного объекта,

р - унифицированная процедурно-алгоритмическая среда, S(P), - унифицированная модель порождающей среды, S(T) - унифицированная модель объекта проектирования.

При проектировании технологического процесса исходным объектом является унифицированная (типовая или комплексная) деталь, унифицированная производственная система является порождающей средой, унифицированный ТП рассматривают как объект проектирования. Перечисленные выше модели выражены в виде типовых математических структур.

Объект проектирования представлен совместным преобразованием модели исходного объекта S (А) и модели порождающей среды S(P)

8(А)р8(Р)^ 3(Т). (2)

Процедурно-алгоритмическая среда включает в себя методы, способы целенаправленного воздействия на материал, правила выполнения отдельных действий, накладываемые требования, предпочтения и ограничения, методики расчетов и рекомендации по выбору параметров режима, базу технологических данных. Таким образом, эта среда определяет состав (перечень), последовательность и содержание проектных действий.

Принято допущение о том, что основным элементом технологического моделирования является модель способа (способов) обработки, реализуемого данной технологией.

Множество способов, формирующих конкретные технологии ЭХРО, представлено общей структурной формулой

5 = {Г, К, Э, ГД, Т, ЭХ, Сг, Ск, Сэ, Сгд, С, , Сэх, О}, (3)

где Г, К, Э, ГД, Т, ЭХ - подмножества геометрических, кинематических, электрических, гидравлических, тепловых и электрохимических элементов, характеризующих способ обработки, Сг, Ск, ^-э, Сгд, Ст, Сэх - подмножества свойств этих элементов; О - множество отношений между свойствами.

Функция способа размерной обработки представлена в виде

Гк = Г0Фсо (4)

где Гк и Го - конечная и начальная геометрия заготовки, <2>со - оператор преобразования, характеризующий способ обработки.

На основании представленной структуры разработана развернутая классификация способов электрохимической обработки, построены и проанализированы структуры технологического процесса и средств его оснащения.

Структурная модель унифицированного технологического процесса (УШ) описана выражением

УТП = {УД, УСО, УС, УП, УИ, УБД, УСР, ПО, Суэ „ Оу}, (5)

где УД - унифицированная деталь, УСО - унифицированный способ обработки, УС, УП, УИ - унифицированные средства технологического оснащения, УБД - унифицированная база данных, УСР унифицированная система инженерных расчетов, ПО - предметно-ориентированное программное обеспечение, Суэ ,, 0(/ - соответственно свойства перечисленных элементов и отношения между ними, г, у - порядковые номера перечисленных элементов в формуле (5), г ф /

Для проектирования унифицированной технологии электрохимической размерной обработки предложен алгоритм (рисунок 1).

Для выполнения проектных работ необходимо:

- обосновать технико-экономическую целесообразность проектных работ. В диссертации представлена методика предпроектного анализа эффективности альтернативных технологий и обоснования выбора операции ЭХРО применительно к ЭХРО лопаток компрессора;

подобрать группу деталей и подготовить унифицированную деталь (типовую или комплексную). Эта задача решается по известной методике и в данной работе не исследовалась;

- унифицировать схему обработки, решая вопросы базирования и закрепления, создания надежного токоподвода, обеспечения заданной гидродинамики течения электролита. Разработаны рекомендации для решения этой задачи;

- разработать унифицированную систему технологических расчетов (выбор и оптимизация параметров режима, оценка технологических характеристик операции). Разработаны методики и модели применительно к операциям ЭХРО лопаток;

- создать унифицированную (предметно-ориентированную) базу данных для технологических расчетов;

- разработать унифицированные средства технологического оснащения;

Структура электрохимического лопаточного станка вытекает из структуры

способа обработки (3) и описывается формулой

& {Сет, ^ 'Ко ГПС, ГДС, Эс, У . Сс„ 01,1 }-

где Сст - станина станка, обеспечивающая компоновку и относительное расположение функциональных блоков; Гс - рабочая камера, формирующая рабочую зону; /<"с - рабочая головка с приводом; ГПС - система подготовки электролита; ГДС - система подачи электролита; Эс - источник питания, Ус -система управления, включающая в себя базу данных БДС и программное обеспечение ПОс\ Сс/, - соответственно свойства перечисленных элементов и отношения между ними, /, у - порядковые номера перечисленных элементов, ' # /

Л—Ь

Укифш^зия ДГГаЛИ

УЩ

л .. ГГ.

УСБЗД РИННТС

4 1 ТГ

УСТ УЭИ

«1 г"

УСПЭ

л.

УСНПР г МИНУС.

тг

РУП

/Л

Нет

УСБЗД - унификация схемы базирования и закрепления заготовки; УСТ - унификация схемы токоподвода; УСПЭ - унификация системы подачи электролита; УСНПР - унификация системы назначения параметров режима; РУП -разработка унифицированного приспособления; МПИУС - модернизация или проектирование и изготовление унифицированного станка; УЭИ -унификация электрода-инструмента; РИННТС -разработка инструкции по наладке и настройке технологической системы; УТ'Д -унифицированная технологическая документация; 1 - «Есть в наличии подходящий станок ?»

Рисунок 1 - Алгоритм синтеза УТП

Разработан алгоритм выбора станка на основе каталога существующих станков. Предложен алгоритм проектирования лопаточного станка.

В соответствии с (3) структура приспособления для электрохимической обработки представлена формулой

*5пр= {А'„, Бп, Т,„ 3„, Гп, Оп, У,„ И„, Д„ С„„ О,,}, (6)

где К„ - базовая деталь (корпус); Б„ - элементы, обеспечивающие базирование звготовки в приспособлении; Т„ - токоподводящие элементы приспособления; 3„ - зажимные устройства; Г„ - элементы, формирующие гидравлический канал; Оп - теплоотводящие элементы; Уп - установочные элементы, обеспечивающие базирование и закрепление приспособления в рабочей камере станка; И„ - элементы обеспечивающие положение инструмента в приспособлении; Дп - дополнительные элементы, обеспечивающие специфику эксплуатации приспособления в электрохимическом станке (вставки, экраны и пр.); Сп;, Оц - свойства элементов приспособления и отношения между ними.

Разработаны и апробированы алгоритмы проектирования и адаптации приспособления. Проанализирована схема элементов и взаимосвязей САО/САМ/САЕ - подсистем при автоматизированном проектировании операций ЭХРО.

В четвертой главе рассмотрены основные элементы унифицированной процедурно-алгоритмической . среды: сформирована предметно-ориентированная база данных для технологического проектирования операций электрохимической обработки деталей авиационных двигателей, исследован этап обоснования технического решения об использовании операции электрохимической обработки лопаток ГТД, сформулирована задача оптимизации параметров режима многопереходной операции ЭХРО пера лопаток ГТД.

Для подтверждения принятых при разработке моделей допущений выполнено статистическое исследование точности операции ЭХРО лопатки.

Представлена общая структура базы данных, выполнены экспериментальные работы по оценке обрабатываемости материалов авиационного моторостроения, обобщены и представлены в информационно емкой форме справочные данные для технологических расчетов.

Предложена удобная для практического применения форма представления исходных данных для технологического проектирования -паспорт электрохимической обрабатываемости материала. Разработаны паспорта для характерных представителей трех групп материалов титанового сплава ВТ8, коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и сплава ЖС32.

Разработана модель принятия технического решения при выборе операции обработки пера лопаток ГТД при наличии альтернативных технологических вариантов (электрохимическая или фрезерная с ЧПУ). Получено правило предпочтения варианта ЭХРО пера в виде неравенства

где к - коэффициент, определяемый материалом заготовки и условиями обработки, /п — длина пера, Стах - максимальный диаметр вписанной окружности среднего сечения пера, Ьх - длина хорды.

Это правило позволяет обосновать выбор группы лопаток, для которых имеет смысл разрабатывать унифицированную технологию ЭХРО или оценить целесообразность применения такой технологии при технологической подготовке производства нового изделия.

Для уточнения параметров точности заготовок лопаток, в частности, значений максимального и минимального припусков, исходной неравномерности припуска, сопоставления данных аналитической и статистической оценки точности, оценки значений уточнения профиля на операции ЭХРО выполнен статистический анализ точности ЭХРО пера типовой лопатки.

Партия штампованных заготовок в количестве 30 штук с подготовленными базами обмерялась на контрольно-измерительной машине. По данным измерений находили профили распределения припуска по спинке и корыту в пяти поперечных сечениях и проводили статистическую обработку результатов.

После обмера заготовок выполняли операцию электрохимической обработки пера на станке ЭХВИС-5000Ф2 в соответствии со штатной технологией, обмеряли обработанные лопатки, строили профили спинки и корыта и проводили статистическую обработку результатов.

На рисунке 2 в качестве примера показаны профили распределения припуска и координат обработанной поверхности по спинке и корыту для одного из поперечных сечений.

Результаты статистического анализа позволяют судить о характере распределения припуска, средних значениях и полях рассеяния припусков в различных точках пера, величине и статистических характеристиках неравномерности припуска.

Из полученных данных следует, что распределения отклонений отдельных точек профиля по спинке и корыту

(припуска) описываются кривыми нормального распределения, что указывает на отсутствие доминирующей погрешности при анализе точности заготовок.

Неравномерность припуска по сечению заготовки представлена суммой систематической погрешности формы Дф и случайной погрешности размера сор.

Рисунок 2 - Профили заготовок (вверху) и обработанных деталей (внизу) по спинке (слева) н по корыту (справа) для одного из поперечных сечений.

Дг = Дф + Юр ,

(8)

Систематическая составляющая профиля распределения припуска обусловлена, преимущественно, износом штампа. Эту составляющую, как видно из рисунка 2, можно представить кусочно-линейной функцией (линейной для заготовки спинки и трапецеидальной или ступенчатой для заготовки корыта). Это позволяет упростить инженерную методику расчета выравнивания припуска и оценки точности операции ЭХРО. Установлено, что для партии лопаток, обработанных в одном штампе, максимальные и минимальные припуски локализованы в достаточно узких областях. Это позволяет обоснованно подходить к оценке поправок на газо- и тепловыделение при расчете конечной погрешности формы.

На основании полученных данных сделаны следующие выводы:

1. Показано, что распределения размеров профиля пера штампованной заготовки в отдельных точках подчиняются закону нормального распределения.

2. Установлены фактические значения среднего припуска и неравномерности припуска для штамповок лопаток средних размеров, полученных методом горячей объемной штамповки в открытых штампах.

3. При допуске на отклонения точек профиля равном 0,12 мм среднее (для различных сечений) расчетное уточнение на операции электрохимического формообразования равно 9,6. Экспериментально получены значения 5,2 по спинке и 6,2 по корыту. Отсюда следует, что в наших условиях требуемая по чертежу точность не достигается.

Обобщение имеющегося опыта показывает, что при изготовлении пера лопаток на современном оборудовании используют три режима обработки, характеризующиеся различными параметрами и достигаемыми технологическими результатами (таблица 1).

Таблица 1 - Характеристики основных режимов работы лопаточного станка

Описание режима Основные параметры Достигаемые характеристики

'ср> А/см2 МС Ч С мм/мин До мм Да, мкм

1. Обработка постоянным током в циклическом режиме 20...40 - 1 3...5 0,3... 0,4 0,12...0,3 0,8... 3,2

2. Обработка импульсным током малой длительности в циклическом режиме 15...30 0,3...1 3...5 1...2 0,2...0,3 0,07...0,15 0,2...0,8

3. Обработка импульсным током с вибрацией электродов 0,5...5 0,05... 1 5...25 (1...5)х Ю"1* 0,01... 0,03 0,03...0,08 0,2... 0,8

* За период при частоте вибраций 50 Гц. Материал заготовки - титановый сплав.

Выполнен анализ точности изготовления профиля пера лопатки для выделенных режимов обработки. Суммарная погрешность отклонения профиля от номинального значения Д,,р представлена выражением

А„р = Др + Дф„ + Дф/ + Дж + Ду < <5„„, (9)

где Др — погрешность отклонения размера, Дф/ — погрешность отклонения формы, вызванная внутренними возмущениями процесса ЭХРО в результате тепло- и газовыделения, Дф„ - погрешность отклонения формы, вызванная технологической наследственностью вследствие неполного выравнивания исходной неравномерности припуска, Д.Л - погрешность отклонения формы, обусловленная изменением механизма электрохимического растворения материала, например, в результате перехода из транспассивной области потенциалов в область активированного растворения, Лу - погрешность установки, <?пр - допуск на отклонение профиля..

При обработке титановых сплавов для типичных параметров режима получена следующая оценка значений Др:

- при работе на постоянном токе (г = 20...30 А/см2) - Др = 30...50 мкм;

- при работе на импульсном токе (ти = 0,5 мс, ц = 3.. .5) - ДР = 20.. .30 мкм;

- при работе в виброимпульсном режиме (ти = 1 мс) - Др = 5... 10 мкм.

Оценку погрешности Дф/ производили, полагая, что распределение

локальных токов в начале и конце МЭП определяется соотношением значений удельной электропроводности и в течение цикла это распределение изменяется незначительно.

Аф/ = ^дгц£/0„Ск> ~ХьУа (10)

Расчеты показали, что значимая погрешность формы Дф/ (0,01...0,04 мкм) образуется в типичных для обработки лопаток условиях (1/= 12 В, ууЛ = 2,6 10_3 см3/Ас, = 5 с) лишь при зазорах а < 0,2 мм.

Погрешность Дф„ оценивали, используя идеальную модель электрохимического формообразования. Основываясь на результатах статистических исследований, использовали расчетную схему линейного распределения припуска. Это позволило описать динамику изменения неравномерности припуска в процессе обработки и обосновать методику инженерных расчетов погрешности ДфН-

Погрешность Аж = 0 при обработке лопаток из титановых сплавов в хлорид-нитратных электролитах. Погрешность Ду в работе не исследовалась, поскольку она не связана со спецификой используемого метода обработки и носит общемашиностроительный характер.

На рисунке 3 показаны экспериментальные и расчетные зависимости суммарной погрешности профиля пера лопаток от минимального снятого припуска.

Условия эксперимента: станок ЭХВИС-5000Ф2, лопатка направляющая с хордой 40 мм, исходная неравномерность припуска в партии лопаток

0,8... 1,2мм (горячая объемная штамповка в открытых штампах), режим работы - циклический.

Параметры режима: и =12В, Хэл =0,12См/м, «о =0,3мм, время цикла 6с, машинное время цикла 5с.

Как следует из эксперимента, в данных условиях расчетные значения суммарной погрешности обработки (кривая 1) ниже, чем полученная экспериментально.

Это объясняется особенностями идеальной модели формообразования и влиянием на точность обработки не учтенных нами факторов (погрешности базирования, закрепления заготовки, погрешность приспособления, случайные погрешности, связанные с отклонениями параметров режима от принятых при расчете). Введение поправки на газовыделение дает расчетную кривую 2, более близкую к эксперименту.

При необходимости более точных расчетов изменения припуска, не связанных с кусочно-линейной аппроксимацией профиля заготовки, необходимо решать задачу Лапласа для расчета электрического поля в каждом цикле с начальной границей анода, описываемой по результатам статистической обработки данных измерения припуска в партии заготовок.

Расчеты производят в следующей последовательности.

1. Производят обмер партии заготовок по нескольким сечениям.

2. Представляют результаты обмера в виде (8), как сумму систематической и случайной составляющих.

3. Выбирают сечение с максимальным припуском.

4. Описывают систематическую составляющую распределения припуска аналитическим приближением вида Р(х,у) = 0 в системе координат лопатки.

5. По результатам обмера на станке получают координаты точки с наибольшим припуском ¿тах и находят функцию Г, соответствующую этой точке.

6. Формулируют краевую задачу и решают уравнение Лапласа для первого цикла.

7. Рассчитывают конечное положение анодной поверхности /\| и конечную неравномерность Ак! для первого цикла.

8. Принимают Гк1 в качестве начальной границы анодной поверхности для второго цикла.

9. Повторяют расчеты для всех последующих циклов до выполнения условия ДкЛ, < 5„, где N - расчетное число циклов, 5„ - допуск на рассчитываемый профиль.

Рисунок 3 - Расчетные (1,2) и экспериментальная (3) зависимости текущей неравномерности припуска от минимального снятого припуска

Оптимизация параметров режима обработки является одним из эффективных путей снижения удельных ресурсозатрат. В работе использован метод решения задачи многокритериальной оптимизации путем скалярной свертки по главному критерию, в качестве которого выбран показатель производительности. Выбор критерия обоснован тем, что именно высокая производительность операции ЭХРО делает ее предпочтительной (конкурентоспособной) по отношению к операции фрезерования на станках с ЧПУ. Выбирая в качестве количественной меры производительности машинное время обработки fM, представим формальную запись процедуры оптимизации в виде

* min )

■inp

V C<[C],Rz<[Rz],

(12)

где Дпр - погрешность отклонения профиля от номинального (теоретического) значения; Яг - параметр шероховатости поверхности, С -себестоимость операции. Зпр-допуск на отклонение профиля пера.

Наложение ограничения на показатель точности Апр < <5пр по сути дела решает задачу структурной оптимизации. Действительно, на основании базовых положений технологии машиностроения можно считать, что указанные в таблице 1 режимы по своим характеристикам естественным образом формируют три различных перехода операции ЭХРО - черновой (П|), чистовой (!72) и доводочный (П}). Из сказанного ясно, что в зависимости от технических требований к лопатке можно указать три варианта структуры операции ЭХРО:

О, = < Я, >, Ог = <#,, Я2>, 03 = < Я,, Пъ Я3>, (13)

Однопереходная структура соответствует обработке лопаток обычной точности, двухпереходная - повышенной точности и трехпереходная - высокой точности. Учитывая изложенное, выбор наилучшей структуры операции ЭХРО пера проводим на основании обобщенных данных таблицы 1 путем сравнения . требуемого допуска на отклонение профиля с данными таблицы.

Многопереходная структура операции обеспечивает наилучшие в данных условиях технологические результаты.

На рисунке 4 представлены кривые выравнивания исходной неравномерности припуска Д0 на различных режимах обработки по мере съема минимального припуска.

Видно, что обработка на режиме 1 требует наличия на заготовке припуска значительной толщины для обеспечения допуска Если

¡5] б, Sj

й]> 0:> öj

-1—^

Рисунок 4 - Динамика выравнивания припуска при различной структуре операции ЭХРО

после съема некоторого припуска z\ перейти на режим 2, то минимально необходимый припуск снизится до z4. Видно также, что за счет повышения точности обработки на режиме 2 можно при прочих равных условиях обеспечить меньший допуск ó2. Трехпереходная операция позволяет обработать поверхность с допуском S) путем последовательного съема припусков z\ (первый переход), z2~Z] (второй переход) и z3 -Z2 (третий переход).

Из сказанного следует, что многопереходная структура операции обеспечивает высокую точность обработки при снижении величины минимально необходимого припуска.

Анализ структуры штучно-калькуляционного времени на операциях ЭХРО лопаток показал, что машинное время обработки является основной составляющей структуры нормы времени. Поэтому условие (11) для трехпереходной структуры операции можно записать в виде

tul +ÍM2 + ÍM3-» mil, (14)

Минимальные значения времени каждого перехода находим из условия получения требуемой конечной неравномерности припуска

Д,о-Д* + —In^ü), (15)

V/ а,тп/ Л'«

где ДЛ и Д,о - конечная и начальная неравномерность припуска на ;-м переходе; / = 1, 2, 3; А10= А0 , Дзк = А/<г; v/"M - максимальная локальная скорость растворения при зазоре а= amil, ¡

Из условия минимизации каждого слагаемого левой части выражения (14) находим максимально возможную в данных условиях скорость растворения.

Для первого перехода скорость растворения ограничиваем сверху значением, определяемым предельным газосодержанием [аг] на выходе из межэлектродного промежутка длиной LT.

Для второго и третьего переходов в условиях импульсной обработки в качестве ограничивающего фактора принято условие «фазового запирания» в результате газо- и парообразования.

В питой главе изложены технологические рекомендации по проектированию унифицированных технологий ЭХРО, на базе которых разработаны типовая технология обработки пера лопатки и групповая технология трепанации окон в корпусных деталях гидроаппаратуры. Приведено технико-экономическое обоснование мероприятий по технологической унификации.

Для разработки типовой технологии выбраны рабочие лопатки компрессора высокого давления с различными геометрическими параметрами, в конструкциях которых использованы хвостовики типа «ласточкин хвост».

Анализ выражения (7) для выбранной группы лопаток, подтвердил целесообразность разработки унифицированной операции электрохимической

обработки пера. Построена структура множества способов ЭХРО, ■ которые должна реализовать технологическая система при . обработке всех лопаток группы. Свойства элементов способа обеспечивают требуемый диапазон изменения условий обработки и реализацию трех указанных выше режимов. Отношения между элементами обеспечивают условия совместимости и упорядочивания технологических воздействий.

Проектирование операции ЭХРО производили в соответствии с комплектом алгоритмов, разработанных в главе 3.

Выбор структуры операции, назначение и оптимизацию параметров режима выполняли в соответствии с рекомендациями, изложенными в главе 4. Выполнено эскизное проектирование электрохимического лопаточного станка третьего поколения (рисунок 5) для реализации унифицированной операционной технологии, который обладает следующими преимуществами:

- возможность реализации чернового чистового и доводочного режимов, широкий диапазон изменения параметров режима;

- низкая трудоемкость переналадки и перенастройки станка с одного типоразмера лопаток на другой;

- высокая производительность за счет оптимизации параметров режима обработки, снижения вспомогательного времени на холостые ходы, перекрытия основного времени и вспомогательного времени на загрузку и выгрузку детали;

- высокая надежность и технический уровень используемого универсального источника питания на основе инверторной схемы с квазирезонансным управлением транзисторами.

В проекте станка предусмотрен современный высокоточный привод инструментальных головок на основе линейных синхронных двигателей. Их использование в электрохимических станках позволит заметно расширить амплитудно-частотный диапазон вибрационной системы, интенсифицировать отвод продуктов электролиза в объем раствора за счет «помпового» эффекта, повысить точность слежения за координатой инструмента.

1 - станина, 2 - рабочая камера, 3 - основание привода, 4 - привод электрода-инструмента, 5 -кассета-носитель с заготовкой, 6 - блок подготовки и подачи электролита, 7 - универсальный источник питания, 8 - выносной пульт управления.

Рисунок 5 - Технический облик унифицированного станка УЭХЛС-3000 для групповой обработки рабочих лопаток компрессора

Техническая характеристика станка УЭХЛС-3000:

Количество управляемых осей координат..................................2

Привод рабочих головок - линейный синхронный двигатель типа 1.8М-Р-3 6-163x25

Скорость перемещения каретки, м/с...................................... 1

Точность позиционирования ЭИ, мкм.....................................±2

Максимальный ход инструмента, мм......................................50

Длительное тяговое усилие, кН...........................................4,5

Угол наклона осей ЭИ к оси Z лопатки, град................................60

Количество контуров источника питания..................................2

Режим работы ИП.................постоянный ток, импульсный ток с пьедесталом

Максимальное амплитудное значение тока в контуре, кА................... 12000

Максимальный средний ток, кА..........................................3000

Диапазон регулирования напряжения на выходе ИП, В:

- в режиме постоянного тока...................................6.. .18

- в режиме импульсного тока.................................. 12. ..64

- напряжение пьедестала.......................................3. ..б

Номинальная мощность, кВА...........................................2x50

Полярность заготовки........................................прямая и обратная

Длительность рабочего импульса, мс...................................0,15. ..1,5

Количество импульсов в пакете..........................................1... 10

Скважность...........................................................1...5

Быстродействие защиты от КЗ, мкс.......................................10

Система управления на базе промышленной рабочей станции АШ8-8129М-Р1

Объем станочного бака, м3...............................................1,5

Давление на входе в МЭП, МПа........................................0.. .0,6

Расход насоса рабочей подачи, м3/ч.......................................3,6

Система управления входным давлением.....................с дросселем на входе

Средняя скорость прокачки электролита, м/с.............................10.. .30

Диапазон регулирования рабочих зазоров, мкм..........................40...400

Система контроля минимального зазора.............периодическая с ощупыванием

Реализуемые режимы работы:

- Р1, при постоянной подаче ЭИ на постоянном токе;

- Р2, при циклической подаче ЭИ с периодически «ощупыванием»;

- РЗ, импульсно-циклический режим;

- Р4, виброциклический режим с привязкой времени подачи импульса к фазовому углу периодического перемещения ЭИ

Элемент адаптивного управления* - амплитудно-частотный анализатор формы

импульса в подсистеме оперативной коррекции программы. * Рекомендуемая перспективная опция, как элемент технического интеллекта станка

На основе разработанного в главе 3 алгоритма спроектирована унифицированная оснастка к станку УЭХЛС-3000. Заготовка лопатки вне рабочей зоны станка устанавливается в унифицированную кассету, которая базируется и закрепляется в корпусе приспособления. Требуемое совмещение систем координат заготовки и инструментов обеспечивается конструктивно за счет оснастки, а их ориентация относительно координатной системы станка достигается регулировкой.

Поскольку рабочие поверхности инструментов индивидуальны, то унифицированы элементы корпуса, в том числе посадочные и токоподводящие элементы всех инструментов для лопаток данной группы.

На основе результатов исследований разработана также групповая технология электрохимической трепанации окон в деталях топливной аппаратуры. Сформирована группа деталей с подобными технологическими свойствами, спроектированы комплексная деталь и унифицированное (групповое) приспособление, составлена групповая наладка, унифицированы элементы конструкции инструментов. Для реализации данной технологии выбран существующий станок, обладающий необходимыми структурой и свойствами. Выполнено технико-экономическое обоснование мероприятий по унификации.

Результаты научных исследований апробированы и используются на базовом предприятии - ФГУП «ММПП «Салют».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сформулирована и решена задача технологической унификации операций электрохимической размерной обработки изделий в условиях многономенклатурного производства газотурбинных двигателей.

2. Предложены структурные модели способа ЭХРО, средств технологического оснащения, выделены элементы этих структур, их свойства и отношения. Разработана классификационная модель способов ЭХРО, средствами комбинаторики оценена мощность множества способов ЭХРО.

3. Созданы алгоритмические модели процесса технологической унификации операций ЭХРО, выявлены и апробированы конкретные процедуры унификации, уточнена методика технико-экономической оценки результатов технологической унификации.

4. На основании результатов экспериментальных исследований и обобщения имеющихся данных построена база данных по электрохимической обрабатываемости группы лопаточных титановых сплавов, коррозионно-стойких и жаростойких сталей. Для сплавов ВТ8, ЖС32, стали 12Х18Н10Т разработаны и представлены паспорта электрохимической обрабатываемости.

5. Выявлены, сформулированы и решены малоисследованные задачи технологической подготовки производства применительно к операциям электрохимической обработки пера лопаток компрессора, в том числе:

5.1. Проведен статистический анализ точности электрохимической обработки пера лопатки направляющей, выявлены характерные погрешности штампованных заготовок, определены требуемые величины уточнения по спинке и корыту пера. Обобщены имеющиеся данные по достигаемой точности изготовления лопаток других типоразмеров.

5.2. На основании статистического исследования партии штампованных заготовок предложена и апробирована инженерная методика расчета конечной неравномерности припуска, выполнена оценка влияния внутренних

возмущающих факторов (газо- и тепловыделения) на процесс выравнивания текущего припуска.

5.3. На основе теоретического анализа суммарной погрешности изготовления профиля пера лопатки компрессора предложена и обоснована модель оптимизации параметров режима операции электрохимической обработки пера.

5.4. Сформулирована и решена задача структурной и параметрической оптимизации применительно к операции ЭХРО профиля пера.

5.5. Сформулирована и решена задача выбора наилучшего технологического решения для конкурирующих операций фрезерования и электрохимической обработки профиля пера.

6. Обоснован технический облик лопаточного широкодиапазонного электрохимического станка третьего поколения и сформулированы требования к его технической характеристике.

7. На основе результатов исследований разработаны рекомендации по проектированию эффективных унифицированных технологий электрохимического изготовления лопаток, предложена технология изготовления конкретной лопатки и показана ее технико-экономическая эффективность.

8. На основе результатов исследований предложена унифицированная технология изготовления окон в деталях типа «корпус фильтра».

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Издания, включенные в перечень ВАК:

1. Саушкин С.Б. Групповая операция электрохимической обработки окон в деталях типа «втулка» / Е.А. Митрюшин, С.П. Пименов, С.Б. Саушкин // Металлообработка. №2, 2007. - с. 15-21/

2. Саушкин С.Б. Статистический анализ точности операции электрохимической обработки профиля пера лопатки компрессора / B.C. Беников, Ю.А. Моргунов, С.Б. Саушкин // Известия МГТУ «МАМИ», 2009. - с. 79-85.

3. Саушкин С.Б. Пути развития и перспективы применения технологий электрохимической размерной обработки / Е.А. Митрюшин, С.Б. Саушкин, Б.П. Саушкин // Упрочняющие технологии и покрытия, №12, 2009. - с. 40-45.

4. Саушкин С.Б. Унифицированные технологии изготовления штампов с применением электрофизических методов обработки / Е.А. Митрюшин, Ю.А.Моргунов, С.Б. Саушкин // Металлообработка, №2, 2010. - с. 42-45.

5. Саушкин С.Б. Станочное оборудование для электрохимической обработки аэродинамических профилей лопаточных машин / Е.А. Митрюшин, С.Б. Саушкин, Б.П. Саушкин // Металлообработка, №2,2010. -с. 50-61.

6. Саушкин С.Б. Проблемы повышения уровня унификации технологий электрохимической размерной обработки / С.Б. Саушкин, И.Д. Рушика // Труды ГОСНИТИ, Т. 106,2010. - с. 174-177.

Прочие издания:

7. Саушкин С.Б. Использование диэлектрических масок при изготовлении поверхностных рельефов на деталях машин / Г.Ю. Дапьская, С,Б. Саушкин // Материалы МНТК «Молодые ученые - 2006». - М.: МГТУ РЭА,

2006. - с. 151-152.

8. Саушкин С.Б. Влияние метода обработки жаропрочного сплава на показатели качества поверхностного слоя / Г.Ю. Дальская, И.А. Иваненков, С.Б. Саушкин // Материалы МНТК «Молодые ученые - 2006». - М.: МГТУ РЭА, 2006.-с. 153-154.

9. Саушкин С.Б. Модификация свойств поверхностного слоя изделий из жаропрочных материалов электрохимическим полированием / B.C. Беников, С.Б. Саушкин // Материалы МНТК «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей». - Кострома,

2007.-с. 80-82.

10. Саушкин С.Б. Технология изготовления поверхностных рельефов типа аэродинамических занижений Рейли / B.C. Беников, С.Б.Саушкин // Материалы 1Y НПК «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности». - М.: МАИ, 2007.- с.77.

11. Саушкин С.Б. Анализ технологических решений при изготовлении штампов горячей объемной штамповки лопаток / Е.А. Митрюшин, С.Б. Саушкин // Материалы ВНТК «Новые материалы и технологии НМТ-2008».-М.: РГТУ «МАТИ». 2008. - с. 16.

12. Саушкин С.Б. Структурное моделирование и классификация способов электрохимической размерной обработки / С.Б. Саушкин, Ю.А. Моргунов // Известия МГТУ «МАМИ», 2011. (В печати).

13. Саушкин С.Б. Многопереходная обработка пера лопатки компрессора на электрохимических станках третьего поколения // Сб. материалов НТС «Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства», М.: МГТУ «МАМИ». 2009, - с.185-191.

14. Саушкин С.Б. Влияние геометрических параметров компрессорных лопаток на выбор метода обработки профиля пера // Сб. материалов НТС «Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства», М.: МГТУ «МАМИ». 2009. - с. 175-178.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность 05.02.08 — « Технология машиностроения»

Саушкин Степан Борисович

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УНИФИКАЦИИ ОПЕРАЦИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Под редакцией автора

Оригинал-макет подготовлен редакционно-издателъским отделом МГТУ «МАМИ»

Подписано в печать 09.02.2011. Формат 60><90 1/16. Бумага 80г/м2 Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 80 экз. Заказ №_.

МГТУ «МАМИ» 107023, г. Москва, Б. Семеновская ул., 38.

Введение.

Глава 1 Состояние вопроса и постановка задач исследования.

1.1 Применение электрохимических технологий в современном машиностроительном производстве.

1.2 Основные тенденции развития технологий и оборудования для электрохимической размерной обработки.

1.3 Унификация, как эффективное средство совершенствования машиностроительного производства.

1.4 Проблемы и перспективы повышения уровня унификации электрохимических технологий

1.4.1 Теоретические и экспериментальные исследования высокоскоростного анодного растворения материалов, как основа создания банков технологических знаний.

1.4.2 Создание унифицированных средств технологического оснащения.

1.4.3 Организационно-технические особенности унификации и внедрения технологий ЭХРО.

1.5 Выводы по главе 1. Основные задачи исследования.

Глава 2 Методология и общая методика исследований.

2.1 Структурно-логическая схема и формулирование вопросов исследований.

2.1.1 Основные вопросы экспериментальных исследований.

2.1.2 Основные вопросы теоретических исследований.

2.1.3 Основные технологические и конструкторские разработки.

2.2 Проведение экспериментальных исследований.

2.2.1 Исследуемые материалы и их свойства.

2.2.2 Применяемые электролиты.

2.2.3 Электрохимические измерения.

2.3 Оценка технологических характеристик операций ЭХРО.

2.3.1 Физическое моделирование.

2.3.2 Станочные эксперименты.

2.3.3 Измерения показателей качества поверхностного слоя.

2.4 Статистические исследования.

2.5 Выводы по главе 2.

Глава 3 Моделирование элементов унифицированной технологической системы электрохимической обработки изделий.

3.1 Моделирование унифицированного технологического процесса электрохимической обработки

3.1.1 Классификационная модель способов и технологий ЭХРО.

3.1.2 Структурная модель способа ЭХРО.

3.1.3 Теоретико-множественные модели.

3.1.4 Алгоритмические модели.

3.2 Моделирование унифицированных средств технологического. оснащения.

3.2.1 Общая методика подбора оборудования для операций ЭХРО.

3.2.2 Моделирование электрохимического станка.

3.2.3 Моделирование технологической оснастки.

3.2.4 Применение элементов CALS-технологий при проектировании унифицированных операций ЭХРО.

3.3 Выводы по главе 3.

Глава 4 Методическое и информационное обеспечение процесса проектирования унифицированных технологий ЭХРО.

4.1 Подготовка базы данных для проектирования унифицированных технологических процессов ЭХРО.

4.1.1 Структура базы данных.

4.1.2 Обрабатываемость исследуемых материалов в условиях ЭХРО.

4.1.3 Выбор рабочих жидкостей.•.

4.1.4 Электрохимическая характеристика пары «металл-электролит».

4.1.5 Технологические характеристики, достигаемые при ЭХРО изделий из авиационных материалов.

4.1.6 Паспорт электрохимической обрабатываемости материала.

4.2 Разработка расчетных процедур для проектирования технологий ЭХРО обработки пера лопаток компрессора.

4.2.1 Обоснование конкурентоспособности технологии ЭХРО пера лопаток компрессора.

4.2.2 Методика назначения параметров режима.

4.2.3 Анализ достижения заданной точности изготовления пера.

4.2.3.1 Теоретический анализ точности изготовления пера.

4.2.3.2 Статистический анализ точности операции ЭХРО профиля пера типового представителя лопаток компрессора.

4.2.4 Оптимизация ¡параметров режима.

4.3 Выводы по главе 4.

Глава 5 Разработка унифицированных технологий ЭХРО.

5.1 Унифицированные операции производства лопаток компрессора.

5.1.1 Рекомендации по унификации технологий изготовления лопаток.

5.1.2 Проектирование технологии изготовления лопаток компрессора.

5.1.3 Формирование технического облика современного лопаточного станка.

5.1.4 Проектирование унифицированной оснастки.

5.1.4.1 Унификация инструмента.

5.1.4.2 Переналадка и перенастройка средств технологического оснащения.

5.2 Групповая операция трепанации окон в деталях типа «втулка».

5.4 Технико-экономическая оценка эффективности работ по унификации операций ЭХРО.

5.5 Выводы по главе 5.

Основные результаты работы и выводы.

Список используемых источников.

Технологии электрохимической размерной обработки (ЭХРО) получили распространение, начиная с 50-х годов прошлого века, в оборонных отраслях промышленности в связи с усложнением конструкций изделий и появлением новых конструкционных материалов [1-3]. К настоящему времени метод электрохимической обработки материалов, способы и технологии на его основе занимают общепризнанное место в современной технологии машиностроения [4-9]. Технологии ЭХРО являются наукоемкими и обладают всеми признаками ключевых обрабатывающих технологий. Считают, что таким технологиям необходимо обеспечить приоритетное развитие [10].

Разработаны научные и технологические основы электрохимической размерной обработки, создан соответствующий парк электрохимических станков. Значительный вклад в развитие технологий ЭХРО внесли российские ученые и инженеры: Ф.В. Седыкин, Ю.Н. Петров. Ф.И. Кукоз, А.Г. Атанасянц, Ю.С. Волков, В.П. Смоленцев, H.A. Амирханова, Г.Н. Корчагин, А.Х. Каримов, Г.Н. Зайдман, Е.М. Румянцев, Л.Б. Уваров, создавшие отечественные научные школы в области электрохимической размерной обработки [11]. Среди зарубежных исследователей заметный вклад в развитие теоретических и прикладных вопросов электрохимической размерной обработки внесли D. Landolt, М. Datta, J. Bannard, J. McGeough, A. De Barr, D. Oliver, Ch. Tobias, J. Kozak, K. Rajurkar, J. Thorpe, T. Degenhardt, W. König, К. Мао, К. Kawafune, М. Kubota. Работы этих ученых и их сотрудников заметно расширили знания по различным аспектам электрохимического формообразования, позволили создать и внедрить ряд эффективных технологий.

В последнее десятилетие ведущие мировые производители наукоемкой продукции, в первую очередь изготовители ракетных и авиационных двигателей, совершенствуют организационно-технические формы применения технологий ЭХРО, создавая специализированные производственные подразделения и современное оборудование [12-16].

Вместе с тем, широкое внедрение технологий электрохимической размерной обработки сдерживается из-за наличия ряда нерешенных научных, технических и организационных проблем.

Одной из таких проблем является относительно низкий уровень унификации технологий ЭХРО. Это приводит к увеличению ресурсозатрат при технологической подготовке производства новых изделий, малой фондоотдаче из-за недостаточной загруженности станочного парка электрохимических станков, снижению производительности труда.

Унифицированные технологические процессы и средсгва технологического оснащения для операций электрохимической обработки развиты недостаточно, справочные и методические материалы для их разработки, пригодные для использования в цеховых условиях, практически отсутствуют.

Сказанное усугубляется тем, что значительный объем экспериментального материала, накопленного в 70-90-е годы прошлого века в области высокоскоростного анодного растворения металлов и технологические разработки в этой области не получили должного обобщения в виде автоматизированных баз знаний. Низкий уровень унификации затрудняет применение современных технологий проектирования операций ЭХРО, снижает их эффективность и конкурентоспособность по отношению к операциям обработки резанием.

Цслыо диссертационной работы является повышение эффективности технологических процессов электрохимической обработки изделий на основе применения принципа технологической унификации.

Прикладная часть работы ориентирована на изделия авиационного двигателестроения, поскольку в этой области технологии машиностроения технологии электрохимической размерной обработки нашли наибольшее применение.

Основные задачи исследования:

1. Разработать модели унифицированного технологического процесса ЭХРО, модели средств технологического оснащения, обеспечивающие структурный анализ объектов моделирования, методику синтеза обьектов моделирования и методику принятия обоснованных технических решений.

2. Обобщить, дополнить и унифицировать базу данных для проектирования технологических процессов ЭХРО изделий авиационной техники.

3. На основе моделирования процессов электрохимического формообразования разработать инженерную методику выбора и оптимизации параметров режима для унифицированной операции ЭХРО пера лопаток компрессора.

4. Обосновать технический облик перспективного электрохимического лопаточного станка, разработать инженерную методику создания переналаживаемой технологической оснастки.

5. Выполнить статистический анализ точности операции ЭХРО обработки пера лопаток с целью обоснования принятых технических решений.

6. Разработать технологические рекомендации и унифицированные технологические операции ЭХРО деталей ГТД.

Научная новизна работы заключается в разработке моделей объектов и процедур унификации технологий ЭХРО, разработке и анализе модели многопереходной операции ЭХРО, обобщении и расширении унифицированной базы данных для технологического проектирования.

Практическая значимость работы заключается в разработке и обосновании инженерных методик расчета, практических рекомендаций, технологических процессов и элементов средств технологического оснащения, обеспечивающих создание высокоэффективных типовых и групповых операционных технологий.

При проведении исследований и опытно-экспериментальных работ автором получены два свидетельства на рационализаторские предложения.

На защиту выносятся:

1. Результаты моделирования процедур и объектов технологической унификации операций электрохимической размерной обработки (расчетные методики, оборудование и оснастка).

2. Результаты моделирования и инженерная методика проектирования и оптимизации многопереходной операции обработки пера лопатки компрессора.

3. Результаты исследования обрабатываемости материалов авиационного моторостроения при высокоскоростном электрохимическом растворении и унифицированная база данных для проектирования технологий электрохимической обработки.

4. Результаты статистического исследования точности операции электрохимической обработки профиля пера лопаток компрессора

5. Технологические рекомендации по унификации, эффективные унифицированные процессы электрохимической обработки и средства технологического оснащения.

Достоверность результатов исследований и разработок обеспечивается научно-обоснованной методологией теоретических исследований, применением апробированных методик и оборудования для экспериментальных исследований, оценкой точности отдельных измерений, преемственностью полученных результатов и проверкой полученных результатов на станочном оборудовании в цеховых условиях.

Личный вклад автора

Автором получены, обобщены и систематизированы экспериментальные результаты, изложенные в данной работе. Разработаны основные модели и проведен анализ этих моделей.

Постановка задач исследований и обсуждение результатов выполнены совместно с научным руководителем. Обсуждение отдельных результатов и подготовка совместных публикаций проводилась вместе с соавторами, указанными в списке опубликованных работ.

Апробация работы

Отдельные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Молодые ученые - 2006» (г. Москва, 2006 г.); Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» (г.Кострома, 2007 г.); научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности»-(г.Москва, МАИ, 2007г.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2008» (г.Москва, МАТИ, 2008г.); научно-техническом семинаре «Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства» (г. Москва, МГТУ «МАМИ», 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Электроэрозионные и электрохимические технологии в производстве наукоемкой продукции» (г. Москва, 2010г.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (г. Москва, РГТУ-МАТИ, 2010).

Промежуточные результаты и работа в целом докладывались на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» МГТУ «МАМИ» в 2007-2010 г.г. Научные публикации по теме диссертации.

По материалам диссертации опубликовано 14 работ, б из которых включены в перечень ВАК для опубликования материалов диссертационных работ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из