CC BY
227
электрохимическая обработка
УДК 621.45.002.2/621.9.047
Станочное оборудование
для электрохимической обработки
аэродинамических профилей лопаточных машин
Е. А. митрюшин, С. Б. Саушкин, Б. П. Саушкин
Ключевые слова:лопатка компрессора, моноколесо, электрохимическая обработка, электрохимический станок.
Технико-экономическая эффективность применения операций электрохимической обработки для получения пространственно-сложных тонкостенных аэродинамических профилей, в частности лопаток высших ступеней компрессоров газотурбинных двигателей, не вызывает со-
Основные технические характеристики
мнений [1—3]. Вместе с тем развитие технологий электрохимической обработки в лопаточном производстве сдерживается относительно высокой стоимостью и достаточно ограниченным предложением типоразмеров и моделей оборудования на мировом и отечественном рынках (табл. 1).
Таблица 1
ческих станков [3]
Модель станка Достигаемая точность, мм Электрическая характеристика Макс. площадь обрабатываемой поверхности Sм, см2* Изготовитель
Амплитудный ток/ постоянный ток, кА Напряжение, В
Лопаточные станки
ЭХС-10Б 0,1 -/3 0-24 160 «Электромеханика» (Ржев, Россия)
ЭХВИС-5000Ф2 0,06 -/5 0-30 250 Казанское моторостроительное про-
изводственное объединение (Казань,
Россия)
ЭХЛ-100 0,06 -/5 0-24 - НПО «Сатурн» (Рыбинск, Россия)
ЭХС-5000** - -/3 0-24 100 АО СП «Завод "Топаз"» (Молдова)
Станок фирмы Amchem - 40/- 200 Amchem (Winbro Group, Великобри-
тания)
Станок фирмы MGT 0,05 -/20 0-20 - MGT (Winbro Group, Великобритания)
LEC 20 0,04 20/- 0-40 250 Leistritz AG (Германия)
Dorner Premium Two 0,05 2x30/2х5 0-40 200 Dorner GmbH (Германия)
Станок фирмы Teleflex - - 250 Teleflex Aerospace (США)
Aerospace
Копировалъно-прошивочные станки
ЭС 4000 0,05 4000/300 0-15 40 ЛЭПСИ (Киров, Россия)
ЭХФ-А1 0,01 - - 100 ООО «Димет-М» (Киров, Россия)
ЕСМ-1500 0,03 1500/270 6-15 15 ОАО «Стерлитамакский станкострои-
тельный завод» (Стерлитамак, Россия)
ЕСМ-3000 0,05 3000/520 6-15 40 ОАО «Стерлитамакский станкострои-
тельный завод» (Стерлитамак, Россия)
ET-100 0,01 1000/125 0-30 10 ООО «Титан ЕСМ» (Уфа, Россия)
Станки для обработки лопаточных колес (блисков)
LEC 2010 - 20/- 0-24 4 5*** Leistritz AG (Германия)
Ultra Blisk Machine - 5-20/- 0-24 5*** Bosch (Германия)
Станок фирмы Dorner - - - 5, 6*** Dorner GmbH (Германия)
GmbH
* Наибольшая площадь обрабатываемой поверхности.
** Проводятся производственные испытания.
*** Число управляемых координат.
Следует заметить, что отечественный рынок оборудования для физико-химических методов обработки, кроме, вероятно, лазерного его сегмента, заметно отстает от ведущих мировых производителей как по количеству, так и по качеству выпускаемого оборудования [4, 5]. Проектно-конструкторские работы по совершенствованию электрохимических станков проводятся в нашей стране силами предприятий, использующих это оборудование в собственном производстве. Новые разработки в этой области немногочисленны [6, 7] и в большинстве случаев применяются лишь в копировально-прошивочных станках. Наиболее значимые достижения в области лопаточных технологий связаны главным образом с решением организационно-технических задач и использованием современных информационных методов и средств подготовки и совершенствования производства лопаток [8-11].
Ведущие зарубежные производители, которым не пришлось работать в условиях стагнации отрасли, сделали заметный шаг вперед и создали оборудование нового поколения для производства лопаток и лопаточных колес (блисков). Электрохимическое оборудование различного назначения выпускают MJ Technologies Ltd. (Великобритания), Amchem (Великобритания), входящие в Winbro Group Technologies Ltd., компании General Electric (США), Sermatech Manufacturing Group (США), Teleflex Aerospace (США), Barber-Nichols Inc. (США), Leistritz AG (Германия), Dorner GmbH (Германия), MTU (Германия) [12-16]. Заметно расширяется производство электрохимического оборудования в Китае [17].
Так, известная германская компания Leistritz AG [12] выпускает электрохимические станки с ЧПУ, тремя управляемыми координатами и максимальным током 10 и 20 кА (LEC-10, LEC-20) для производства лопаток. Трехкоор-динатный станок LEC-20 оснащен источником постоянного тока фирмы AEG Elotherm GmbH, системой управления Sinumerrc 805 (Siemens) и системой подготовки и подачи электролита. Станок с рабочей камерой 1000 х 1200 х
х 800 мм обеспечивает точную обработку профиля (табл. 2). Точность позиционирования инструмента — ± 0,01 мм, диапазон рабочих подач — 0,1-11,5 мм/мин, дискретность регулирования — 0,01 мм/мин.
Приводы трех координатных осей (двух катодных и одной анодной) состоят из двигателей постоянного тока с тахогенератора-ми, прецизионных зубчатых передач и шариковых винтовых пар с предварительным натягом. Максимальное усилие на катодных осях — 70 кН (ход — 230 мм), на анодной оси — 50 кН (ход — 50 мм). В станке использованы роликовые направляющие качения с предварительным натягом.
Компания Dorner GmbH применяет свыше 60 наименований электрохимических станков и станочных комплексов собственного производства [13]. Используя модульный принцип компоновки оборудования, фирма разработала и изготовила оборудование различных видов на основе базовой модели ECM Standard Machine Multi Six Basic.
Для обработки лопаток с длиной пера 30...200 мм и хордой 20...100 мм компания предлагает двухпозиционный станок Dorner Premium Two, оснащенный системой IPC/ Simatic S7-300 (Siemens) c панелью управления. Каждая позиция включает в себя две линейные (катодные) оси, две поворотные оси и две оси осцилляций. Сдвоенный источник питания обеспечивает работу как в режиме постоянного, так и импульсного токов (см. табл. 1). Станок комплектуется системой ультратонкой очистки электролита (размеры твердых частиц — менее 5 мкм).
Английская компания MJ Technologies Ltd., в состав котрой входит фирма Amchem, изготавливает станки для производства лопаток из заготовки-проката [14]. Лопаточные станки этой компании отличаются оригинальной компоновкой станины и наклонными рабочими головками. Специалисты предприятия Amchem активно работают над совершенствованием лопаточных станков с вибрирующим инструментом [15].
Таблица 2
Точность, достигаемая на станках типа LEC 10 и LEC 20 при обработке профиля лопаток
Показатель точности Выдерживаемый допуск
Отклонение профиля, мм 0,04
наибольшей толщины профиля Стах, мм ±0,01
длины хорды, мм ±0,10
толщины кромки, мм ±0,02.0,10
угла поворота профиля, мин ±20
радиуса перехода к полке, мм ±0,25
наименьшего радиуса скругления кромки, мм 0,20
Смещение профиля по осям х и у, мм ±0,03.0,10
Параметр шероховатости поверхности Яа, мкм 0,20.0,40
Судя по имеющимся данным, технологию изготовления малогабаритных лопаток из полосы, впервые предложенную и использованную фирмой Rolls-Royce Ltd., освоили и в России [18, 19]. Для изготовления лопаточных профилей из заготовки-полосы применяют не только метод прямого копирования, но и метод обката [20], а в некоторых случаях и метод следов [21].
Компания Teleflex Aerospace использует электрохимическую обработку для изготовления лопаток длиной от 25 до 300 мм [16]. Эта фирма входит в корпорацию Sermatech Manufacturing Group (SMG), на предприятиях которой используют целый ряд электрохимических станков собственного производства для обработки лопаток компрессора и других деталей двигателя.
Станки ведущих иностранных компаний имеют следующие конструктивные особенности:
• высокую жесткость конструктивных элементов;
• надежную герметизацию рабочей зоны;
• высокоточные электромеханические приводы;
• надежные источники питания, включая систему защиты от короткого замыкания;
• эффективные системы очистки электролита (максимальный размер твердой фазы — 5...20 мкм);
• ^временный дизайн.
Для увеличения производительности в станках ряда фирм предусмотрены несколько рабочих постов, обеспечивающих одновременную обработку нескольких лопаток. Кроме того, для частичного совмещения машинного и вспомогательного времени заготовку устанавливают в сменную державку вне рабочей зоны с последующей быстрой загрузкой и закреплением державки с лопаткой в приспособлении. Общий вид некоторых современных электрохимических станков показан на рис. 1.
Большинство отечественных лопаточных станков работают по импульсно-циклической схеме формообразования. Один из лучших отечественных лопаточных станков — ЭХВИС-5000Ф2 и его модификации обеспечивают показатели точности при обработке профиля пера (табл. 3). Для повышения точности формообразования в конструкции станка предусмотрена возможность вибраций инструмента в пределах рабочего цикла. В процессе эксплуатации этот станок показал достаточно высокую технологическую надежность при работе в циклическом режиме. Тем не менее система вибрации электродов требует определенной доработки, связанной с синхронизацией движения электродов, и подачи
Рис. 1. Электрохимические станки различных производителей: а — станок мод. PEM-1360 (PEM GmbH); б — станок компании Dorner GmbH; в — станок ЭХВИС-5000 (Казанское моторостроительное производственное объединение); г — станок ЕС 2010 (Leistritz AG)
импульсов тока. Источник питания станка не обеспечивает получение импульсов короче 3 мс, и это также относят к его недостаткам.
Для станка ЭХС-5000 использована та же схема обработки, что и для станка ЭХВИС-5000Ф2, однако источник питания спроектирован в расчете на более высокие технические характеристики (длительность импульса — от 100 мкс, амплитуда тока — до 10 кА). Предусмотрено индивидуальное питание электродов для обработки спинки и корыта (двухконтурный источник питания). Использован электромеханический привод подачи инструмента.
В целях снижения объема ручных доводочных работ и получения не только высокоточных профилей, но входных и выходных участков пера, предложена концепция «круговой»
Таблица 3
Точность изготовления пера лопаток, достигаемая на станке ЭХВИС-5000Ф2
Длина пера, мм Хорда, мм Точность, мм
До 40 До 80 До 120 * При применен! До 25 До 35 До 60 1и искусственных те ±0,04/±0,03 ±0,08/±0,05* ±0,12 хнологических баз
Рис. 2. Лопатка с искусственными технологическими базами, обработанная по схеме «круговой» ЭХРО
электрохимической размерной обработки (ЭХРО) [2, 22]. Согласно этой концепции, обработку исходной заготовки в форме брикета со шлифованными базовыми поверхностями производят до полного смыкания электродов, формирующих спинку и корыто пера (рис. 2). От тех же баз обрабатывают и замковую часть лопатки. Для реализации такой технологии необходимы высокая культура производства и наличие на предприятии прецизионного электрохимического оборудования.
Обработка с вибрацией инструмента и синхронизированной подачей рабочих импульсов напряжения обеспечивает повышенную точность формообразования [23]. Поэтому наряду со специализированными лопаточными станками для производства лопаток предложено использовать универсальные копировально-прошивочные станки повышенной точности (см. табл. 1), техническая характеристика которых приведена в литературе [3, 6, 7]. Близкие технологические характеристики имеет станок PEM-1360 немецкой фирмы PEM GmbH [24].
На копировально-прошивочных станках данного типа можно обрабатывать малоразмерные лопатки компрессора высокого давления со сложной геометрией пера и обеспечивать необходимую высокую точность. При использовании подобных станков в производстве лопаток проводят последовательную обработку спинки и корыта пера лопатки с переустановкой заготовки и сменой инструмента. Для этого применяют высокоточную оснастку в целях снижения погрешности установки [19]. Достоинством технологий высокоточной обработки малоразмерных
лопаток на станках подобного типа является возможность одновременного формообразования профилей пера и замковой части лопаток. В ряде случаев этот фактор может иметь решающее значение при выборе наилучшего варианта технологии. Для повышения производительности при высокоточной обработке малогабаритных лопаток на копироваль-но-прошивочных станках применяют многоместную обработку с последующим разделением на операции электроэрозионной вырезки электродом — проволокой.
Способы электрохимической обработки с вибрацией электродов и синхронной подачей импульсов напряжения разработаны отечественными специалистами еще в 1960-е годы [23] и с тех пор постоянно совершенствуются [25-27]. Существует достаточно подробное теоретическое описание схем формообразования с вибрирующими электродами [27-30]. В последние годы заметный интерес к подобным схемам электрохимического формообразования проявляют специалисты Германии, Великобритании, Китая [17, 31, 32].
Использование в конструкции двигателей лопаточных колес (блисков) позволяет заметно повысить эффективность работы компрессора [33]. Электрохимические станки для изготовления блисков (лопаточных колес) впервые применила в 1985 г. компания General Electric, они являются дорогостоящим наукоемким оборудованием (рис. 3). Поэтому информация об их технических особенностях и технологических характеристиках в открытой печати практически не представлена. Предложены различные способы электрохимического изготовления блисков и лопаточных барабанов (tandem blisk) [34-36].
Оборудование для обработки лопаточных колес выпускается несколькими компаниями
Рис. 3. Современный электрохимический станок для обработки блисков
б)
ШШя
Рис. 4. Лопатки блиска после предварительной (а) и окончательной (б) ЭХРО
(см. табл. 1). Электрохимическая обработка используется как в операциях предварительной обработки радиальных прорезей на ободе диска, так и при окончательной обработке профилей лопаток на специальных многокоординатных станках [37] (рис. 4).
Компания Teleflex Aerospace для изготовления блисков применяет 5-координатные электрохимические станки, обеспечивающие как черновую, так и чистовую обработку [16]. Предприятия Sermatech Manufacturing Group выпускают несколько десятков блисков в месяц по заказам производителей лопаточных машин. Фирма Sermatech Lehr открыла в США специализированный цех для ЭХРО таких изделий.
Компания Leistritz AG выпускает 4-коорди-натный станок EC 2000 на 10 000 А и 5-коорди-натный LEC-2010 на 20 000 А для изготовления профилей лопаточных колес [11] (см. табл. 1).
Предприятие MTU Aero Engineering GmbH сообщает о наличии на собственном производстве станков и технологий по изготовлению лопаток лопаточных колес и приводит данные о технико-экономической эффективности таких технологий [37].
Блиски современных двигателей достигают 1000 мм в диаметре, при условии что длина лопатки доходит до 300 мм, хорды — до 250 мм. Блиски изготавливаются из жаропрочных сталей и титановых сплавов. Трудности их выпуска методом ЭХРО связаны с необходимостью организации сложного относительного перемещения электрода-инструмента (ЭИ) и заготовки. Поэтому в ряде случаев (при большой длине лопаток) приходится осуществлять обработку межлопаточного канала по секциям или предусматривать предварительную и окончательную электрохимическую обработку инструментами с различной кинематикой.
Если поверхности лопастей являются винтовыми, то относительное перемещение инструмента осуществляют с помощью копира. Если же простые движения ЭИ не обеспечивают требуемую кинематику относительного перемещения, то используют схему
многокоординатного перемещения по заданному закону с ЧПУ.
Учитывая сложный контур обрабатываемой поверхности и трудности организации потока электролита, при изготовлении блисков применяют источники питания, способные работать в непрерывном и/или импульсном режиме. В импульсном режиме источник питания должен обеспечивать амплитудное напряжение 18-42 В, средний ток на электролитной нагрузке — до 10 000 А, длительность импульсов — 0,5 . 10-4 - 0,5 . 10 с, скважность — 2-7.
Анализ рынка электрохимических станков позволяет оценить стоимость многокоординатного оборудования для электрохимической обработки блисков в 2,5-3,0 млн евро. Поэтому многие производители авиационных двигателей предпочитают заказывать изготовление моноколес на специализированных предприятиях, где есть высококачественное электрохимическое оборудование и квалифицированный персонал.
Интересным, но малоисследованным способом чистовой или доводочной обработки лопастей блисков или переходных участков между лопастью и диском является ЭХРО не-профилированным ЭИ с использованием многокоординатных станков с ЧПУ по схеме фрезерования концевой радиусной фрезой. Есть основания предполагать, что такая операция обеспечит точность обработки 0,05 мкм при шероховатости поверхности Яа до 0,4-0,8 мкм. Недостатком этого вида обработки является относительно невысокая производительность.
В последние годы для предварительного вырезания межлопаточных пазов используют операции высокопроизводительной гидроабразивной обработки [38]. Комбинирование такой операции с последующей ЭХРО обеспечивает высокую производительность. Таким образом, эффективность технологии изготовления блиска можно существенно повысить путем сочетания операций фрезерования, гидроабразивной резки, электрохимической и в некоторых случаях электроэрозионной обработки с учетом геометрии лопастного колеса и применяемого материала.
Современные источники питания для электрохимических станков изготавливают на основе инверторных схем, с применением квазирезонансного управления транзисторами [39]. Элементная база позволяет формировать сильноточные импульсы тока длительностью до 10-5 с и крутым передним фронтом (не более 10 мкс). Амплитудная величина тока в импульсном режиме может достигать 40 кА. Созданы надежные системы защиты от коротких замыканий, перегрузки по мощности и перегревания.
Таблица 4
Технические характеристики выпрямителей модульного типа Flex Kraft
Параметр Сила тока, А, при различном числе модулей в комплектации
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Напряжение, В:
0-15 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
0-24 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000
0-30 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
Высота, мм 450 590 730 870 1010 1150 1290 1570 1710 1850
В качестве источников постоянного тока используют выпрямительные устройства с высокочастотным преобразованием типа Switch mode. Ведущий мировой производитель таких выпрямительных устройств, компания Kraftelectronic AB (Швеция), поставляет выпрямители модульного типа с выходными параметрами по напряжению 0-30 В, по току — 2506000 А, обеспечивающие независимую регулировку тока или напряжения (табл. 4). Размеры источника питания в плане — 500 х 610 мм. Масса одного модуля — 25 кг. Коэффициент пульсаций — менее 1 %, коэффициент полезного действия — 90 %. Предусмотрена защита от превышения по току, напряжению, температуре, а также от короткого замыкания, размыкания цепи. Осуществляется плавное регулирование тока и напряжения в пределах 0-100 % от номинального значения.
Основные технические данные выпрямительных агрегатов «Пульсар Про» (ООО «Пульсар»), предназначенных для питания гальванических ванн и электрохимических станков [40], приведены в табл. 5. Подобные устройства обеспечивают выполнение следующих функций:
• стабилизация тока или напряжения;
• плавное изменение тока или напряжения по заданной программе;
• режим изменения полярности (реверс);
• подсчет количества пропущенного электричества;
• подключение к управляющему компьютеру с применением промышленного интерфейса;
• защитное отключение;
• контроль тока и напряжения по цифровому индикатору и дистанционное управление;
• охлаждение силовых элементов воздухом;
• возможность добавления дополнительных функций.
В качестве ключевых элементов в мощных импульсных источниках питания применяются ЮВТ-транзисторы. Однако максимально допустимый ток данных элементов резко падает при увеличении частоты переключения, а потери при этом быстро растут. Применение квазирезонансного режима переключения позволяет существенно снизить потери при переключении и генерируемые помехи. Применение систем управления с частотно-импульсной (ЧИМ) и широтно-импульсной (ШИМ) модуляцией позволяет дополнительно снизить потери при переключении и помехи, а также расширить диапазон регулирования выходных параметров источника питания.
На рис. 5 представлена схема источника питания, состоящего из трехфазного выпрямителя 1, инвертора 2 с частотой преобразования 20-100 кГц и квазирезонансным режимом переключения, силового трансформатора 3, вторичного выпрямителя 4, мостовой схемы 5 (только для источников с реверсом), блока анализа сети, управления вентиляторами и питания драйверов инверторов 6, источника питания вторичных цепей 8, системы управления 7, источника питания системы управления 9.
Напряжение трехфазной сети 380 В поступает на трехфазный выпрямитель 1 и преобразуется в постоянное напряжение 540 В. На управляемом инверторе 2 формируется последовательность импульсов с частотой 20-100 кГц и рабочим циклом 0-100 % в зависимости от необходимого выходного тока
Таблица 5
Технические характеристики выпрямителей модульного типа производства ООО «Пульсар»
Модель Напряжение, В Сила тока, кА Потребляемая мощность, кВт Габаритные размеры, м Масса, кг
Пульсар 800/12Р 12 0,8 9,6 1,04 х 0,46 х 0,37 75
Пульсар 1600/12Р 12 1,6 19,2 1,04 х 0,46 х 0,87 150
Пульсар 3200/12Р 12 3,2 38,4 1,04 х 0,93 х 0,87 340
Пульсар 3000/24Р 24 3,0 72,0 1,14 х 1,04 х 1,07 330
Пульсар 6000/12Р 12 6,0 72,0 1,14 х 1,04 х 1,07 420
Пульсар 1600/62Р 60 1,6 96,0 1,14 х 1,04 х 1,07 320
380 В, 50 Гц
+540 В
220 В, 50 Гц
Рис. 5. Функциональная схема силового блока импульсных источников питания:
м — условное обозначение электродвигателя вентилятора; t° — температура; /вых — выходной ток; Uвых — выходное напряжение
или напряжения. Последовательность импульсов поступает на силовой высокочастотный трансформатор 3 и далее на вторичный силовой выпрямитель 4. Для нереверсивных источников питания напряжение с выпрямителя 4 подается на выходные клеммы, а для реверсивных — на мостовую схему 5, где происходит переключение полярности выходного напряжения/тока. Блок анализа сети 6 вырабатывает сигнал выключения инвертора 2 в случае отклонения напряжения любой из трех фаз.
Силовые блоки описанного типа представляют собой источники стабилизированного тока с заданными значениями напряжения и максимального тока, построенные по схеме высокочастотного квазирезонансного преобразования энергии с применением ЧИМ-управления. Их используют в качестве модулей. Для получения требуемых значений силы тока в источнике питания эти блоки соединяют параллельно, обеспечивая выравнивание выходных токов с помощью блока управления. Типовая элементная база включает в себя драйверы (IGBT 2SD315AN), IGBT-транзисторы (FF300R12KS4 (Infineon Technologies, Германия)), диодные модули (MBRP (Motorola, США)), трансформаторы на сердечниках (Epcos, Германия).
Созданы и испытаны импульсные источники питания, генерирующие биполярные импульсы тока с независимым регулированием параметров (рис. 6). Такие источники основаны на применении единичных преобразовательных модулей положительной и отрицательной полярности [41, 42]. Эти модули осуществляют преобразование постоянного тока в импульсный ток с помощью транзисторных
Рис. 6. Управляемые параметры биполярного тока:
ia — амплитуда анодного импульса тока; тиа -длительность анодного импульса; тпа — длительность паузы между анодными импульсами; тз — время запаздывания катодного импульса по отношению к анодному; ти.к — длительность катодного импульса; iк — амплитуда катодного импульса тока
ключей и работают на одну нагрузку. Импульсные биполярные источники технологического тока оснащены автономной системой воздушного охлаждения и программным управлением. Они выгодно отличаются модульной компоновкой, высоким КПД, массогабарит-ными показателями. Станки ведущих производителей электрохимического оборудования оснащают широкодиапазонными источниками питания, работающими как на постоянном, так и на импульсном токе (см. табл. 1).
На основе проведенного выше анализа выделим и обсудим перспективные направления совершенствования электрохимических станков, исходя из общих тенденций развития мирового станкостроения [43, 44], специфических особенностей эволюции автоматизированных электротехнологических станочных систем [45, 46] и перспективных направлений развития технологий электрохимической размерной обработки [47].
Высокоточные электрохимические станки обеспечивают линейную скорость съема припуска 0,05-0,25 мм/мин. Для повышения производительности обработки с сохранением требуемой точности проектируют многопереходные операции [48]. Они состоят из чернового перехода, обеспечивающего интенсивный съем основного припуска, и одного-двух чистовых переходов, на которых в импульсно-цикличе-ском, вибро-импульсном режимах или методом следов с использованием универсального стержневого инструмента обеспечивают требуемую точность. Для реализации таких технологий необходимы универсальные станки,
т
т
и.а
и.а
0
0
Т
И.К
имеющие широкий диапазон регулирования электрических, кинематических, геометрических и гидравлических параметров режима.
Для увеличения производительности обработки станки оснащают устройствами для быстрой замены инструмента, применяют многоместные и поворотные приспособления. В ряде случаев повышение производительности достигается путем применения схемы обработки по методу обката. В таких станках используют поворотные оси.
Практически все выпускаемые в настоящее время электрохимические станки оснащены системами ЧПУ. Многие из них способны длительное время работать в автоматическом режиме. Данное оборудование помогает успешно решать задачу автоматизации процессов смены инструмента, загрузки-выгрузки объектов обработки. Станки оснащают системами адаптивного управления, элементами искусственного интеллекта. К числу недостатков можно отнести отсутствие надежных локальных датчиков состояния межэлектродного промежутка.
Разработка надежных систем получения информации о состоянии межэлектродного промежутка хотя бы в нескольких точках обрабатываемой поверхности представляет собой задачу, которая пока не решена. Это сдерживает развитие эффективных систем обратной связи и систем адаптивного управления станками.
Быстрая интеграция информационных и обрабатывающих технологий реализуется в конструкциях станков. Производители предлагают трехкоординатные электрохимические станки с непрофилированным электродом и системой ЧПУ. Расширяются возможности компьютерного управления электрохимическими станками [8]. При проектировании операций ЭХРО используются элементы технологий информационной поддержки изделий [11].
Совершенствование средств и методов информационного обеспечения электрохимических станков является необходимым условием конкурентоспособности технологий электрохимической размерной обработки с учетом тенденций развития машиностроительного производства в обозримой перспективе [49, 50]. Следовательно, можно предположить, что технический интеллект станков данного типа в ближайшее время должен достичь более высокого уровня.
Для станков с вибрацией электродов предложены специальные вибросистемы, обеспечивающие высокую поперечную жесткость [29]. Разрабатываются приводы электрохимических станков на линейных двигателях с высокими динамическими характеристиками [51]. Сфера их применения расширяется за счет ма-лонагруженных станков для электроэрозионной, лазерной, гидроабразивной обработки. Их применение 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.
Характеристики некоторых линейных двигателей, представленных на отечественном рынке (табл. 6), свидетельствуют о возможности применения данного оборудования в электрохимических станках для обработки объектов площадью до 100 см2. Ожидается, что быстрый прогресс в этой области электропривода приведет к снижению массогабаритных показателей, увеличению рабочего тягового усилия, улучшению условий теплоотвода и снижению стоимости линейных двигателей.
На рис. 7 показан общий вид станка для обработки лопаток с приводом наклонных рабочих головок на линейных двигателях (проект). Станок состоит из станины 4, на которой
Таблица 6
Технические характеристики линейных двигателей серии LSM-36
Марка LSM-P-36-LHxBM Пиковое усилие Рп, Н Соотношение длительных усилий при водяном и конвекционном охлаждении Рв/Рк> Н Максимальная линейная скорость перемещения каретки »max> м/с Масса якоря тя, кг Длина х ширина каретки Ья х Вя, мм Высота двигателя Нд, мм
LSM-P-36-163* х 25** 3052 2339/1193 4,3/7,6 14,5 451 х 145 62,5
LSM-P-36-163 х 25 4579 3394/1727 2,9/5,1 19,5 451 х 195 64,5
LSM-P-36-163 х 25 3052 2468/1265 1,9/3,5 15,8 595 х 120 62,5
LSM-P-36-163 х 25 4070 3119/1591 3,2/5,7 19,1 595 х 145 62,5
LSM-P-36-163 х 25 6105 4526/2303 2,1/3,8 25,7 595 х 195 64,5
LSM-P-36-163 х 25 7631 5657/2878 1,7/3,0 36,0 739 х 195 64,5
Примечания: Стандартная длина магнитной дорожки статора, Lс, мм: 144, 216, 288, 360, 432, 504, 576. Другая длина набирается суммированием стандартных длин. * — длина каретки; ** — ширина магнитной дорожки статора.
7
8
Рис. 7. Общая компоновка лопаточного станка с линейным приводом
установлена рабочая камера 5 с встроенной переналаживаемой групповой оснасткой. На регулируемых наклонных плитах 6 смонтированы два привода 7 на линейных двигателях типа LSM-P-36-163x25. Крышка 1 обеспечивает доступ в зону загрузки заготовки, которая базируется и закрепляется в кассете вне станка. Система 2 служит для подвода и отвода рабочей жидкости. Шины связывают станок с широкодиапазонным импульсным источником питания 3, к которому на поворотной балке крепят блок управления 8. Станок предназначен для выполнения высокоточной групповой операции электрохимической обработки рабочих и направляющих лопаток с консольным закреплением.
Применение новых конструкционных материалов оказывает заметное влияние на эволюцию электрохимических станков. Для снижения тепловых деформаций в качестве конструкционных материалов применяют гранит, полимербетонные композиции, керамики с низкими коэффициентами линейного расширения. Разработаны и используются блоки компенсации тепловых деформаций. Все большее применение находят конструкционные диэлектрические материалы.
Продолжается поиск конструктивных решений для создания прецизионных электрохимических станков. В конструкциях таких станков используют бесконтактные опоры, высокоточные датчики перемещения, лазерные юстировочные устройства и иные высокоточные системы.
Интересно отметить, что новые результаты исследований в области электрохимической обработки микрообъектов указывают на возможность применения технологий ЭХРО в микромашиностроении и создании нано-
структурных объектов [52]. Например, с помощью электрохимического растворения на никелевом образце с использованием импульсов тока длительностью 2 нм получены объемные структуры размерами до 100 нм. Полагают, что в обозримом будущем применение технологий электрохимической обработки в области изготовления элементов с размерами 10-7-10-5 м будет расширяться.
Создаются электрохимические системы для микрообработки. Так, в работе [53] для обработки микроэлементов с размерами менее 500 мкм с точностью 5-10 мкм предложено использовать сверхмалые межэлектродные зазоры и дозирование энергии в целях сохранения агрегатного состояния пленки электролита между электродами.
Разработка источников питания с высоким качеством управления и широким диапазоном изменения параметров импульсов была и остается одной из основных задач развития электрохимических станков [53].
Для решения некоторых технологических задач необходимы мощные сильноточные источники питания, обеспечивающие длительность импульса 10-100 мкс и частоту следования импульсов до 10 кГц, оснащенные надежными и быстродействующими системами защиты от короткого замыкания.
Совершенствуются существующие и разрабатываются новые системы адаптивного управления амплитудно-временными параметрами импульсов. Предложены генераторы с низкочастотной модуляцией коротких импульсов технологического тока. Значительный интерес представляют результаты исследований высокочастотной электрохимической обработки, которые могут послужить основой для создания соответствующих промышленных источников тока [54, 55].
Систему подготовки и регенерации рабочих жидкостей рассматривают как важный элемент конструкции оборудования. Ведущие производители станков создают и поставляют на рынок автономные модули ультрафильтрации, позволяющие использовать рабочие жидкости с размерами твердых частиц не более 5-10 мкм [13]. Предлагаются высокоточные системы стабилизации температуры, рН электролита, корректирования его состава в процессе эксплуатации. Регенерацию свойств электролитов для электрохимической обработки тесно связывают с проблемой утилизации отходов крупнотоннажного электрохимического производства и созданием соответствующего оборудования [56].
Известно предположение о том, что в ближайшем будущем появятся электрохимические
1
2
4
станки мехатронного типа, которые позволят существенно повысить технический уровень данного оборудования в результате реализации глобальной идеи в развитии технологического оборудования, основанной на замене материалоемких систем программным продуктом. Применение таких станков перспективно в первую очередь в микромашиностроении, реализации схем обработки по методу обката и методу следов.
Считается актуальной задача модернизации существующих электрохимических станков путем дооснащения их современными источниками питания и элементами систем управления.
Создание многофункциональных станков является устойчивой тенденцией мирового станкостроения. Разрабатываются новые и совершенствуются существующие станки для выполнения электроэрозионных, электрохимических, ультразвуковых и совмещенных операций [57].
Несмотря на то что электрохимическое оборудование отечественных производителей по своему техническому уровню заметно отстает от того, что предлагают ведущие мировые компании, потенциальные возможности отечественной науки и станкостроения далеко не исчерпаны. В обозримом будущем российские электрохимические технологии и станки могут занять заметное место в мировом технологическом пространстве [58].
Литература
1. Уваров Л. Б. Повышение эффективности технологических процессов производства лопаток компрессора авиационных ГТД путем совершенствования структуры и управления точностью электрохимического формообразования: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Рыбинск: РГАТА, 1998. 32 с.
2. Полетаев В. А. Технология автоматизированного производства лопаток газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 2006. 256 с.
3. Саушкин Б. П. Проектирование технологий электрохимической обработки изделий авиационной техники. М.: Машиностроение, 2009. 360 с.
4. Корниенко А. А. Тенденции рынка электрофизико-химических станков // ИТО: Инструмент. Технология. Оборудование. 2005. № 2. С. 20-23.
5. Гонялин С. И. Экспорт и импорт металлообрабатывающего оборудования России в 2007 г. // ИТО: Инструмент. Технология. Оборудование. 2008. № 3. С. 2-6.
6. Зайцев А. Н. Прецизионные электрохимические копировально-прошивочные станки 2000 года // Электронная обработка материалов. 2001. № 6. С. 71-79.
7. Зайцев А. Н. Прецизионные электрохимические станки // ИТО: Инструмент. Технология. Оборудование. 2008. № 5. С. 104-107.
8. Смелов В. Г. Повышение эффективности ЭХО лопаток компрессора на основе компьютерного моделирования подготовки производства: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Самара: СГАУ, 2006. 19 с.
9. Ерочкин М. П., Уваров Л. Б., Горшков А. И. Объемная ЭХО на ОАО «Рыбинские моторы» // Газотурбинные технологии. 2000. № 3. С. 6-9.
10. Хабибуллин М. Г., Фирсов А. Г. Проблемы технологии изготовления малоразмерных слож-нопрофильных лопаток компрессора ГТД нового поколения // Изв. вузов. Сер. Авиационная тех-нология.1998. № 4. С. 113-115.
11. Фирсов А. Г. Разработка оборудования и технологии финишной электрохимической размерной обработки проточных поверхностей малогабаритных лопаток компрессора ГТД с применением компьютерных технологий: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Казань: КГТУ, 2005. 16 с.
12. Leistritz Turbomaschinen Technik GmbH: Inform. Rev. 2006. N 3. 12 p.
13. Dorner Engineering: Inform. Rev. of Dorner GmBH. 2006. 8 p.
14. MJ Technologies. www.mjt.uk.com.
15. Amchem Ltd. www.amchem.co.uk.
16. Blades and Vanes. Blisk / IBR: Inform. Rev. of Teleflex Aerospace Co. 2006.
17. Di S.-С., Wu H.-B., Zhao W.-S. Development of HSPECM set-up and its experiments // Transactions-Nonferrous Metals Society of China. 2005. Vol. 15, N 3. P. 274-278.
18. Высокоточное электрохимическое формообразование турбинных лопаток: Информ. листок. Екатеринбург: Ин-т химии твердого тела УрО РАН. 2006. 2 с.
19. Пат. 2283735, Российская Федерация. МПК7 В23 Н 3 / 00. Способ электрохимического формообразования турбинных лопаток и устройство для его осуществления / В. П. Строшков, В. А. Пшеничников, В. Л. Кожевников; заявитель и патентообладатель Институт химии твердого тела УрО РАН. № 2004134751 / 02; опубл. 20.09.2006.
20. Pat. DE102004032285A1 Deutschland.
Verfahren und Vorrichtung zum elektrolytischen Materialabtrag / O. Fischer, U. Riemer. Veröff. 19.01.2006.
21. Kozak J., Gulbinowicz D., Gulbinowicz Z. The
mathematical modeling and computer Simulation of Pulse Electrochemical Micromachining // Engineering Letters. 2008. Vol. 16, N 4.
22. Пат. 2058863, Российская Федерация. B23H9 / 10, B23H3 / 00. Способ круговой электрохимической обработки лопаток ГТД / М. П. Ероч-кин, Б. Л. Карпов, О. Н. Поляев и др; заявитель и патентообладатель АО «Рыбинское конструкторское бюро моторостроения». № 5058563 / 08; заявл. 13.08.1992; опубл. 27.04.1996.
23. Петров Ю. Н., Корчагин Г. Н. Зайдман Г. Н. и др. Основы повышения точности электрохимического формообразования. Кишинев: Штиинца, 1978. 162 с.
24. PEM Technologiegesellschaft fur electro-chemische Bearbeitung GmbH: Inform. Rev. 2006. 12 p.
25. Пат. 2255843, Российская Федерация. МПК7 В23Н300 / 00. Способ электрохимического микроформирования / В. В. Любимов, В. К. Сундуков, А. Б. Жоголев; заявитель и патентообладатель Тульский гос. ун-т. № 2004102165 / 02; опубл. 10.07.2005.
26. Пат. 2271905, Российская Федерация. МПК7 В23 Н 3 / 00. Способ электрохимической обработки титана и титановых сплавов / А. Н. Зайцев, Н. З. Гимаев, В. П. Житников и др; заявитель и патентообладатель Уфимск. гос. авиацион. техн. ун-т.
27. Строшков В. П., Пшеничников В. А., Кожевников В. Л. Высокоточное электрохимическое формообразование сложнопрофильного инструмента и деталей машин. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2005. 212 с.
28. Щербак Г. А., Трифонов И. В., Трифонова Л. И. Моделирование процесса ЭХРО катодом, совершающим колебательное и вибрационное движения // Вестник Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та. 2005. № 6. С. 262-265.
29. Бурков В. М. Электрохимическое формообразование с вибрацией электрода-инструмента. Иваново: Изд-во ИГХТУ, 2008. 160 с.
30. Житников В. П., Зайцев А. Н. Импульсная электрохимическая размерная обработка. М.: Машиностроение, 2008. 413 с.
31. Hewidy M. S., Ebeid S. J., El-Taweel N. A. et al. Modelling the performance of ECM assisted by low frequency vibrations // J. Mater. Process. Technol. 2007. Vol. 189, N 1-3. P. 466-472.
32. Ebeid S. J., Hewidy M. S., El-Taweel N. A. et al. Towards higher accuracy for ECM hybridized with low-frequency vibrations using the response surface methodology // J. Mater. Process. Technol. 2004. Vol. 149, N 1-3. P. 432-438.
33. Ножницкий Ю. А. Разработка ключевых (критических) технологий для создания новых поколений ГТД // Новые технологические процессы и надежность ГТД: Научн.-техн. сб. М.: ЦИАМ. 1999. Вып. 1. С. 5-34.
34. Pat. 6858125 United States. ЕР 1433558. B23H9 / 10. Multi-axis numerical control electro-machining of bladed disks / B. Wei, M. Lamphere, R. Etherington. N 0325811.8. Assignee General Electric Company. Date of filling 22.12.2003; date of publ. 30.06.2004. Bull. 2004 / 27.
35. Pat. 4851090 United States. B23H9 / 08; B23H9 / 10; B23H9 / 00. Method and apparatus for elec-trochemically machining airfoil blades / N. A. Burns, J. S. Reynolds, W. Hansen et al. Assignee: General Electric Company. № 07 / 049080; Date of filling 31.05.1987; date of publ. 25.07.1989.
36. Pat. 7204926 United States. Tandem blisk electrochemical machining / M. S. Lamphere, J. S. Graham, R. S. Robertson. N 09994342. Assignee General Electric Company. Date of filling 26.11.2001; date of publ. 17.04.2007.
37. Bufimann M., Bayer E. Market-oriented blisk manufacturing. A challenge for production engeneering // MTU Aero Engines GmbH
[Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www. mtu.de / de / technologies / engineering_news / production / bayer_bliskfertigung.pdf.
38. Гайлит Ю. Т., Саушкин Б. П. Технологическое обеспечение производства новых изделий // Крылья Родины. 2007. № 10. С. 35-40.
39. Готтлиб И. М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы. М.: Постмаркет, 2000. 552 с.
40. Агрегат выпрямительный «Пульсар Про»: Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Ярославль: ООО «Навиком», 2006. 18 с.
41. Kraftelectronic AB: Inform. Rev. 2008. 2 p.
42. Галанин С. И. Электрохимическая обработка металлов и сплавов микросекундными импульсами тока. Кострома: КГТУ, 2001. 118 с.
43. Бушуев В. В. Основные тенденции развития металлорежущих станков // МНТК «Отечественные прогрессивные металлообрабатывающие технологии и оборудование»: Тез. докл. М.: Экспоцентр, 2006. С. 27-32.
44. Нахапетян Е. Г., Феофанов А. Л., Черпаков Б. И. Перспективы и пути развития научного и производственного потенциала в машиностроении и станкостроении России // СПИН. 2006. № 3. С. 2-9.
45. Орлов А. Б. Функциональный синтез и эволюция автоматизированных электротехнологических станочных систем. Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Тула: ТГУ, 2000. 40 с.
46. Атрощенко В. В., Ганцев Р. Х., Серав-кин В. Н. и др. Современное оборудование для ЭХО и ЭЭО // Современная электротехнология в машиностроении: Сб. тр. / Под ред. В. В. Любимова. Тула: ТГУ, 1997. С. 170-171.
47. Саушкин Б. П., Атанасянц А. Г., Сычков Г. А. Современное состояние и перспективы развития электрохимической размерной обработки // Металлообработка. 2002. № 6. С. 9-17.
48. Саушкин С. Б. Многопереходная обработка пера лопаток компрессора на электрохимических станках третьего поколения // Известия МАМИ: Науч.-техн. сб. М.: Изд-во МАМИ, 2009. С. 117-121.
49. Manufacturing Technologies for machines of the future (21-st century technologies) / Ed. by A. Dashchenko. Berlin; London: Springer, 2003. 792 p.
50. Manufacturing of Turbine Blades: Inform. Rev. of Pumori Energy Ltd. 2006.
51. www.aerotech.com [Электронный ресурс].
52. Kozak J., Rajurkar K., Makkar J. Selected problems of micro-electrochemical machining // J. Mater. Process. Technol. 2004. Vol. 149, N 1-3. P. 426-431.
53. Саушкин Б. П., Атанасянц А. Г., Сычков Г. А. Проблемы и перспективы развития импульсной электрохимической обработки // Электронная обработка материалов. 2003. № 2. С. 10-22.
54. Демьянцева Н. Г., Солунин М. А., Кузьмин С. М. и др. Электрохимическое формообразование никеля при импульсной поляризации // Известия вузов. Сер. Химия и химическая технология. 2009. Т. 52, № 2. С. 78-84.
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
55. Wu G., Zhang Zh., Zhang W. et al. High frequency group pulse electrochemical machining of ultrathin structural parts // Trans. Beijing Inst. Technol. 2006. Vol. 26, N 7. P. 585-588.
56. Амирханова H. А., Саяпова В. В., Черняева Е. Ю. и др. Утилизация шламов после электрохимической обработки титановых и коррозионно-стойких сплавов // Экология и промышленность России. 2008. № 4. С. 8-9.
ШШБМЛ
57. Саушкин Б. П. Комбинированные методы обработки в машиностроительном производстве (обзор) // Металлообработка. 2003. № 1. С. 8-17.
58. Саушкин Б. П. Инновационные процессы в области физико-химических процессов и технологий // Высокие технологии — стратегия XXI века: Материалы конференции X Юбилейного международного форум «Высокие технологии XXI века». М.: Экспоцентр, 2009. С. 616-619.
