[
На правах рукописи
МАННАПОВ Альберт Раисович
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПЕРСПЕКТИВНЫХ УПЛОТНЕНИЙ
ГАЗОВОЗДУШНОГО ТРАКТА ГТД
МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОЙ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
специальность 05.07.05 – Тепловые, электроракетные
двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Уфа-2009
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре оборудования и технологии сварочного производства
Научный руководитель: заслуженный деятель науки РБ, д-р техн. наук, проф.
Зайцев Александр Николаевич, проф. кафедры оборудования и технологии сварочного производства ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»
Официальные оппоненты: доктор технических наук, проф.
Проничев Николай Дмитриевич, проф. кафедры производства двигателей летательных аппаратов ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева»
доктор технических наук, проф.
Будилов Владимир Васильевич, проф. кафедры технологии машиностроения ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»
Ведущая организация: Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей («НИИД») – филиал ФГУП «ММПП «Салют» (г. Москва).
Защита состоится 4 декабря 2009 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12, корп. 1, актовый зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет».
Автореферат разослан 30 октября 2009 г.
Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Бакиров Ф.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из путей повышения эффективности ГТД является совершенствование конструкций радиальных уплотнений газовоздушного тракта, позволяющих сократить утечки рабочей среды между разделяемыми полостями. К наиболее перспективным видам уплотнений относятся щёточные и пальчиковые, конструктивно представляющие собой круговой массив большого количества (порядка 102…105) близкорасположенных малоразмерных (с характерными размерами и шагом расположения порядка 0,1…1 мм) уплотнительных элементов – щетинок и пальчиков.
Щёточные и пальчиковые уплотнения новых конструкций должны иметь сложную продольную и поперечную форму уплотнительных элементов для обеспечения повышенных упругих, герметизирующих и других свойств, а к их поверхностям должны предъявляться особые требования по коррозионной и износостойкости. Традиционно используемые методы (навивка проволоки на оправку с последующей фиксацией, разрезкой и сваркой – для щёточных уплотнений; фотохимическая или лазерная обработка – для пальчиковых) имеют существенные технологические ограничения в плане удовлетворения указанных конструкторских идей, приводят к появлению поверхностного термически изменённого слоя и заусенцев, требующих последующего удаления, не всегда обеспечивают требуемую точность или экологически не безопасны.
Для обоих указанных видов уплотнений наиболее рациональным решением является применение импульсной электрохимической обработки (ЭХО) по схеме с вибрацией электрода-инструмента (ЭИ). С технологической точки зрения обработка как щёточных, так и пальчиковых уплотнений заключается в одновременном прецизионном формировании большого количества малоразмерных уплотнительных элементов в сплошной монолитной заготовке при помощи маложёсткого ЭИ, что позволяет рассматривать их обработку совместно.
Для операции импульсной ЭХО массива уплотнительных элементов необходимо иметь высокотехнологичную конструкцию ЭИ в виде тонкой неизолированной перфорированной пластины (далее – ЭИ-ТНПП) с отверстиями различных форм и размеров между которыми имеются тонкие перемычки. Следует отметить, что описание технологической схемы данным ЭИ очень мало освещено в научно-технической литературе. Это не позволяет в полной мере использовать технологические преимущества метода импульсной ЭХО при изготовлении перспективных уплотнений.
Совершенствование технологии импульсной ЭХО массивов малоразмерных элементов сложной формы в заготовках из жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов позволяет создавать новые перспективные конструкции уплотнений газовоздушного тракта, которые ранее не могли быть технологически реализованы. Таким образом, тема работы является новой и актуальной.
Актуальность темы подтверждается включением её в план Федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» по разделу мероприятий «Разработка новых технологий создания высокотемпературных покрытий и высокоэффективных уплотнений газовоздушного тракта, а также технологии создания зубчатых колёс». Работа выполнялась в соответствии с планами НИР, по государственным контрактам и хозяйственным договорам ООО «УК «ОДК», ФГУП «ММПП «Салют», ОАО «УМПО», УГАТУ и ООО «ЕСМ» в период 2007-2009г.
Цель работы. Разработка технологии изготовления перспективных щёточных и пальчиковых уплотнений радиальных зазоров газовоздушного тракта ГТД методом импульсной электрохимической обработки с применением вибрирующего электрода-инструмента в виде тонкой неизолированной перфорированной пластины.
Для достижения данной цели следует решить следующие задачи:
1. Разработать феноменологическую и математическую модели импульсной ЭХО массива малоразмерных уплотнительных элементов (ММУЭ) с применением ЭИ-ТНПП, учитывающие основные физико-химические и технологические особенности данной схемы обработки.
2. Подобрать наиболее рациональные составы электролитов и исследовать зависимости основных выходных технологических показателей импульсной ЭХО от параметров режима для типовых материалов, широко используемых в ГТД для рабочих температур до 700 °С.
3. Разработать новые способы изготовления перспективных уплотнений методом импульсной биполярной ЭХО с обеспечением заданной формы продольного сечения малоразмерных уплотнительных элементов и заданного содержания хрома в их поверхностном слое.
4. Разработать алгоритмы расчёта выходных технологических показателей и оптимизации параметров режима импульсной ЭХО перспективных уплотнений.
5. Совместно с ведущими российскими НИИ и конструкторскими бюро по авиадвигателестроению отработать на технологичность в отношении импульсной ЭХО новые конструкции щёточных и пальчиковых уплотнений.
6. Сформулировать технические требования к специальному электрохимическому оборудованию для изготовления перспективных уплотнений, апробировать полученные технические решения и результаты исследований в производственной практике при изготовлении натурных образцов щёточных и пальчиковых уплотнений и в учебном процессе УГАТУ.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием основных положений теоретической электрохимии, теории упругого деформирования, методов численного моделирования и аппарата дифференциального исчисления. Экспериментальные исследования по импульсной ЭХО проводились на станках моделей PEM-1360 и ЕТ-500. При проведении исследований использовалась современная регистрирующая аппаратура: инвертированный оптический микроскоп с цифровой фотокамерой высокого разрешения модели Olympus GX-51 для оптического исследования поверхности и определения размеров уплотнительных элементов; сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) NTegra для атомно-силового измерения геометрических параметров микрорельефа поверхности; энергодисперсионная приставка INCA Energy 350 к растровому электронному микроскопу JSM-840 для микрорентгеноспектрального анализа поверхностного слоя; двулучевой электронный цифровой осциллограф Infinium для осциллографирования параметров импульсов тока. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с использованием методов теории вероятностей и математической статистики.
Положения, выносимые на защиту:
1. Феноменологическая и математическая модели импульсной ЭХО ММУЭ с использованием вибрирующего ЭИ-ТНПП.
2. Результаты экспериментальных исследований зависимости производительности, энергоёмкости, погрешности процесса импульсной ЭХО, шероховатости и химического состава поверхностного слоя от основных параметров режима (напряжения, скорости подачи ЭИ, длительности импульсов тока) для сталей 10Х11Н23Т3МР, 12Х18Н9Т и 30Х13.
3. Новые конструктивные решения и способы изготовления щёточных и пальчиковых уплотнений газовоздушного тракта.
4. Алгоритмы расчёта выходных технологических показателей и оптимизации параметров режима импульсной ЭХО по критерию минимального времени обработки при ограничениях по среднеквадратичному отклонению поперечных размеров уплотнительных элементов в пределах массива и параметрам шероховатости поверхности в их прикомлевой части.
5. Рекомендации по выбору оптимальных режимов, технологических схем и проектированию технологического оснащения для импульсной ЭХО (механической части станков, источников питания, систем управления процессом).
Научная новизна работы определяется разработкой новых научнообоснованных технологических и технических решений, обеспечивающих создание новой технологии изготовления перспективных щёточных и пальчиковых уплотнений газовоздушного тракта ГТД методом импульсной ЭХО. Основные пункты научной новизны:
1. Разработаны феноменологическая и математическая модели импульсной ЭХО большого количества близкорасположенных малоразмерных уплотнительных элементов (с плотностью расположения до 500 шт. на 1 см2), которые, в отличие от известных, комплексно учитывают омическое сопротивление ЭИ-ТНПП, физико-химические процессы (газонаполнение и нагрев) в межэлектродном промежутке (МЭП), соизмеримость характерных поперечных размеров уплотнительных элементов с размерами боковых и торцевых межэлектродных зазоров (МЭЗ) и деформации ЭИ-ТНПП, вызванные действием гидродинамических сил во время цикла осцилляции рабочего органа станка.
2. На основе математического моделирования и последующей верификации впервые установлена взаимосвязь параметров режима и геометрических характеристик ЭИ-ТНПП, позволяющая определить критическую размерность ММУЭ, при которой для всех вырезаемых уплотнительных элементов будет достигаться напряжение, достаточное для протеканий анодных электрохимических реакций.
3. Впервые поставлена и решена задача оптимизации параметров режима импульсной ЭХО ММУЭ по критерию минимального времени обработки при заданных ограничениях по среднеквадратичному отклонению поперечных размеров уплотнительных элементов в пределах массива и параметрам шероховатости поверхности в их прикомлевой части.
4. Разработана методика косвенного определения параметров шероховатости по длине образующей уплотнительных элементов, которая, в отличие от известных, основана на суперпозиции расчётных зависимостей изменения плотности тока по длине образующей уплотнительного элемента и экспериментальных зависимостей показателей шероховатости от плотности тока.
Практическая ценность работы. В результате проведённых исследований разработана совокупность технических и технологических решений в области технологии изготовления перспективных уплотнений газовоздушного тракта ГТД. Проведённый комплекс исследований позволяет ускорить итерационный процесс создания серийных уплотнений новых конструкций. Практическая ценность работы заключена в следующем:
1. Предложены новые конструктивные решения по пальчиковым и щёточным уплотнениям (поданы 3 заявки на изобретения РФ, по одной из которых получено решение на выдачу патента), которые учитывают технологические преимущества процесса импульсной ЭХО.
2. Предложены новые способы (поданы 2 заявки на изобретения РФ) изготовления щёточных уплотнений.
3. Разработано программное обеспечение для САПР, позволяющее с удовлетворительной для практики точностью назначать оптимальные режимы импульсной ЭХО перспективных уплотнений, прогнозировать размеры уплотнительных элементов и параметры шероховатости их поверхности.
4. Создано и апробировано технологическое оснащение при изготовлении натурных образцов пальчиковых и щёточных уплотнений.
Практическая реализация работы.
1. Результаты диссертационной работы использованы в ООО «УК «ОДК»
(г. Москва), в ФГУП «ММПП «Салют» (г. Москва), ФГУП «ЦИАМ им. П.И.
Баранова» (г. Москва) и на ОАО «УМПО» (г. Уфа) при выполнении раздела «Разработка новых технологий создания высокотемпературных покрытий и высокоэффективных уплотнений газовоздушного тракта, а также технологии создания зубчатых колёс» Федеральной целевой программы и при проектировании новых конструкций пальчиковых и щёточных уплотнений.
2. Технические требования использованы при создании современного специального электрохимического станка (модели 4420Ф11М) для изготовления перспективных уплотнений.
3. Материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе ГОУ ВПО УГАТУ в виде методических указаний к лабораторным работам.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной молодёжной НТК «Молодёжь в авиации: новые решения и передовые технологии» (Украина, г. Алушта, ОАО «Мотор Сич», 2007 г.), IV-ой НПК молодых учёных и молодых специалистов авиационно-космической промышленности (г. Москва, Компания «Сухой», МАИ, 2007 г.), ежегодных Всероссийских НТК молодых специалистов (г. Уфа, ОАО «УМПО», 2007-2008 г.), Всероссийских молодёжных НТК «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, УГАТУ, 2007-2008 г.), Международной НТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, СГАУ, 2009 г.), на кафедре производства двигателей летательных аппаратов ГОУ ВПО СГАУ (г.
Самара, 2009 г.), периодически на научно-технических совещаниях в ООО «УК «ОДК» и научно-технических семинарах НИИ ПТТ ЭХО при УГАТУ.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 8-ми печатных работах, в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Объём публикаций 3,1 п.л.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 90 наименований, содержит 114 рисунков и 23 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, поставлены цель и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе рассмотрены традиционные конструкции щёточных и пальчиковых уплотнений и основные тренды в их развитии, в результате чего сформулированы предъявляемые к ним технические требования по геометрии, размерности, параметрам точности и качества поверхностного слоя. Обоснована целесообразность использования уплотнений со сложной формой продольного и поперечного сечения уплотнительных элементов, а также необходимость повышения эксплуатационных характеристик (коррозионной стойкости, износостойкости) за счёт улучшения параметров поверхностного слоя (уменьшение шероховатости, создание поверхностных слоёв, обогащённых хромом).
Проведён сравнительный анализ механических и физико-химических методов обработки применительно к изготовлению уплотнений. Указаны недостатки традиционных технологий, ограничивающие конструкторский замысел.
Отмечено, что альтернативой в данном случае могли бы служить физикохимические методы. Однако получить ММУЭ путём наращивания материала (гальванопластика, направленная кристаллизация и др.) технологически затруднительно в связи с их малыми поперечными размерами и шагом расположения (менее 1 мм) при длине, превышающей поперечные размеры в несколько раз. Существенным недостатком методов, основанных на удалении материала плавлением и испарением (лазерная, электронно-лучевая, электроэрозионная обработка), является наличие термически изменённого слоя. Использование указанных методов не позволяет достичь высокой производительности при требуемом качестве поверхности и точности обработки, в некоторых случаях сопряжено с высоким относительным износом инструмента, но самое главное – они имеют существенные технологические ограничения при создании уплотнительных элементов со сложной формой продольного и поперечного сечения.
В связи с этим показана целесообразность применения импульсной биполярной ЭХО вибрирующим ЭИ, основные преимущества которой формулируются следующим образом: отсутствие поверхностного термически изменённого слоя, долговечность инструмента, низкие значения параметров шероховатости при работе на высоких амплитудных плотностях тока ( j >50 А/см2), высокая точность копирования формы и повторяемость процесса (1…10 мкм) при работе на малых торцевых МЭЗ (sт=1…20 мкм). Применительно к изготовлению уплотнений импульсная ЭХО позволяет вырезать уплотнительные элементы длиной L с характерными поперечными размерами a>0,05 мм при соотношении L/a100 (и более) и прошивать тонкие (b>0,05 мм) пазы в заготовках толщиной h при h/b50 А/см2.
3. Разработаны новые способы импульсной биполярной ЭХО, позволяющие путём регулирования параметров режима Vэи, Uнп, tимп, In вырезать уплотнительные элементы с заданной формой продольного сечения (за счёт изменения бокового МЭЗ в диапазоне 50…500 мкм) и необходимым содержанием хрома в поверхностном слое (увеличение относительного содержания хрома к железу – до 30%).
4. Создано программное обеспечение для САПР операций импульсной ЭХО перспективных уплотнений на основе разработанных алгоритмов расчёта выходных технологических показателей и оптимизации параметров режима по критерию минимального времени обработки при ограничениях по стандартному отклонению поперечных размеров уплотнительных элементов в пределах массива и параметру шероховатости поверхности Ra в их прикомлевой части.
5. Предложены новые конструктивные решения для щёточных и пальчиковых уплотнений (монолитное щёточное уплотнение, пальчиковое уплотнение с сотовой структурой на подъёмных площадках и уплотнение с зигзагообразными пальчиками) и подготовлены эскизные проекты пальчиковых уплотнений для вспомогательного ГТД ТА18-200 и перспективного ГТД ПД-14.
6. Разработаны технические требования к механической части, источнику питания, системе управления и гидросистеме электрохимического станка модели 4420Ф11М для изготовления перспективных уплотнений и рекомендации по проектированию технологической оснастки. Полученные технические решения и результаты исследований апробированы в производственной практике при изготовлении натурных образцов малоразмерных щёточных и пальчиковых уплотнений.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В материалах из перечня ВАК:
1. Маннапов А.Р. Технологические показатели электрохимического формирования вставок щёточных уплотнений / Маннапов А.Р., Зайцев А.Н. // Вестник УГАТУ. – Уфа, 2008. – Т. 11, № 2 (29). – С. 131-138.
2. Павлинич С.П. Электрохимическое формообразование элементов аэродинамических уплотнений / Павлинич С.П., Маннапов А.Р., Гимаев Н.З., Зайцев А.Н. // Известия вузов. Авиационная техника. – Казань, 2008. – № 3. – С. 69-73.
в других изданиях:
3. Шерыхалина Н.М. Моделирование электрического поля в пространстве между пластиной и плоскостью (статья на англ. яз.) / Шерыхалина Н.М., Поречный С.С., Житникова Н.И., Маннапов А.Р. // Материалы 9-го международного семинара по компьютерным наукам и информационной технике CSIT’2007.. – Уфа, 2007. – Т. 3. – С. 221-223.
4. Поречный С.С. Электрохимическая обработка сплайн-электродоминструментом / Поречный С.С., Маннапов А.Р. // Мавлютовские чтения. Всероссийская молодёжная научная конференция / ГОУ ВПО УГАТУ; ред. кол.:
Р.А. Бадамшин и др. – Уфа: УГАТУ, 2007. – Т. 5. – C. 30-31.
5. Поречный С.С. Электрохимическая обработка электродом-инструментом с изоляцией / Поречный С.С., Маннапов А.Р. // Мавлютовские чтения. Всероссийская молодёжная научная конференция / ГОУ ВПО УГАТУ; ред. кол.: Р.А.
Бадамшин и др. – Уфа: УГАТУ, 2007. – Т. 5. – C. 32-33.
6. Маннапов А.Р. Феноменология процесса электрохимического формообразования осесимметричных выступов электродом-инструментом в виде густо перфорированной пластины // Материалы IV всероссийской научнотехнической конференции молодых специалистов, посвящённой 83-ей годовщине образования ОАО “УМПО”. – Уфа: УГАТУ, 2008. – С. 26-28.
7. Маннапов А.Р. Имитационная модель электрохимического прошивания отверстия // Мавлютовские чтения. Всероссийская молодёжная научная конференция / ГОУ ВПО УГАТУ; ред. кол.: Р.А. Бадамшин и др. – Уфа: УГАТУ, 2008. – Т. 2. – C. 102-103.
8. Маннапов А.Р. Технология импульсной электрохимической обработки перспективных газовоздушных уплотнений // Материалы международной научно-технической конференции “Проблемы и перспективы развития двигателестроения”, Ч. 1. – Самара: СГАУ, 2009. – С. 216-217.
«