«Посвящается светлой памяти профессора Николая Яковлевича Баумана В.А. Новиков ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И МОНТАЖА ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой Турбины и двигатели ...»

Кондукторные втулки (рис. 19) могут быть постоянными, сменными и быстросменными (ГОСТ 18429-73* и 18430-73*). Постоянные кондукторные втулки выполняют с буртиком и без буртика и применяют при обработке неточных отверстий одним инструментом (сверло, зенкер). Постоянные втулки запрессовывают в кондукторную плиту по посадке H7/h или H7/jS6.

Сменные втулки обычно применяют в случаях, когда необходима их быстрая замена при износе, и устанавливают в переходной втулке по посадке Н7/g6 или H7/h6. Для предотвращения проворачивания сменные втулки закрепляют винтами или накладками.

Сопряжение рабочей части режущего инструмента с отверстиями втулок выполняют по ходовой посадке 8-го квалитета точности в системе вала, а для чистового режущего инструмента (чистовая развертка) – по посадке движения. По известным отклонениям диаметров инструмента рассчитывают допустимые верхнее и нижнее отклонения внутренних диаметров втулок и указывают их на рабочих чертежах.

Для обеспечения заданного направления борштанг (расточных оправок) применяют неподвижные и вращающиеся кондукторные втулки.

Вращающиеся втулки обычно смонтированы на подшипниках качения.

Делительные и поворотные элементы приспособлений применяются в многопозиционных приспособлениях и служат для придания обрабатываемой заготовке различных положений относительно режущего инструмента. Делительное устройство обычно состоит из диска, закрепляемого на поворотной части приспособления, и фиксатора (рис. 20), которые применяются для обеспечения фиксированного положения заготовки при механической обработке.

Механизированные приводы приспособлений нашли широкое применение в различных конструкциях приспособлений. В зависимости от типа привода, источника энергии они подразделяются на следующие группы:

механические, пневматические, гидравлические, пневмогидравлические и электромеханические. Область применения приводов зависит от типа производства и характера выпускаемых изделий.

Механические приводы с ручным управлением используются в многоместных приспособлениях с небольшим усилием зажима. Наибольшее распространение получили приспособления с пневматическим приводом, который в сочетании с различными механическими передачами обеспечивает высокую надежность зажима заготовки, возможность регулирования и последовательность действий зажима. Существенный недостаток пневматического привода – большие габаритные размеры. Ограничение габаритных размеров возможно только при введении в конструкцию привода специальных усилителей. Однако это вызывает снижение КПД привода, требует увеличения длины хода штока, а следовательно, и длины цилиндра.

Наличие на каждом машиностроительном заводе пневмосистем обусловливает применение пневматических приводов. В качестве пневматических приводов могут быть использованы пневматические цилиндры и пневматические камеры одно- и двустороннего действия.

Привод пневмоцилиндра двустороннего действия (рис. 21) состоит из цилиндра 1, поршня 2, штока 3, переключающего распределительного крана 4. В состав пневмопривода в системе воздуховодов входит аппаратура для регулирования и контроля давления в сети, а также аппаратура для отделения механических частиц и влаги. Полости пневмоцилиндра соединены с краном 4, при помощи которого можно попеременно направлять сжатый воздух в полость цилиндра, а отработавший – в атмосферу.

При работе с цилиндром одностороннего действия (рис. 21, б) сжатый воздух поступает только в одну полость цилиндра для зажатия заготовки. При прекращении поступления воздуха в сеть поршень посредством пружины 5 возвращается в исходное положение и происходит разжатие заготовки.

В пневмоцилиндрах передаваемая штоком сила без учета потерь на трение:

– для плоскости без штока – для полости цилиндра со штоком – для пневматических цилиндров одностороннего действия:

– для полости цилиндра без штока – для полости цилиндра со штоком где Р – давление воздуха;

D – диаметр поршня;

d – диаметр штока;

q – сила сопротивления пружины.

Пневматические цилиндры выпускают с внутренними диаметрами 50, 75, 100, 150, 200, 250 и 300 мм. Принцип работы пневматических камер (рис. 21, в) аналогичен принципу работы пневматических цилиндров. Перемещение штока в пневматической камере происходит в результате деформаций диафрагмы. Конструктивно диафрагменная пневматическая камера состоит из корпуса и крышки, которые выполнены в виде литых или штампованных чашек, соединенных между собой. В разъеме чашек установлена резиновая тарельчатая или плоская диафрагма. При впуске воздуха в корпус камеры диафрагма деформируется и воздействует на шайбу, соединенную со штоком. При перемещении шток передает усилие зажима.

Разжатие заготовки обеспечивается пружиной (для камер одностороннего действия) и воздухом (для камер двустороннего действия) (рис. 21, г).

Пневматические камеры имеют небольшой ход штока (30 35 мм). При диаметрах диафрагмы 174, 200, 228 мм пневматические камеры развивают небольшие усилия зажима, зависящие от величины давления воздуха в сети.

Пневматические приводы в зависимости от назначения и характера работы изготавливают в виде стационарных, вращающихся, качающихся и плавающих узлов, встроенных в приспособление.

При механизации и автоматизации производственных процессов в случаях, когда необходимо получить значительные усилия зажима, применяются гидравлические приводы. Источником энергии является жидкость под давлением 80 МПа и выше, поступающая от специальной гидравлической установки в рабочие полости гидравлических приводов.

Конструктивное исполнение гидроприводов при таких давлениях в системе позволяет применять рабочие цилиндры небольших диаметров (20, 30, 40 мм), что обеспечивает их компактность по сравнению с пневмоприводами. Масляная среда в системе обеспечивает надежное смазывание узлов и аппаратуры, предотвращает неполадки, присущие пневматическим системам. Принцип работы гидроцилиндров аналогичен принципу работы пневмоцилиндров.

В турбостроении широкое применение нашли зажимные приспособления, основу которых составляют силовые узлы с гидропластом или жировым солидолом (гидродомкраты, гидроприжимы и гидрошайбы). Зажимные приспособления в зависимости от типоразмера позволяют развивать усилия 50 160 кН. Гидрошайба (рис. 22) с усилием зажима 120 кН успешно применяется для закрепления крупногабаритных деталей на различных станках.

Корпус зажимного приспособления является базовой деталью приспособления. На нем монтируются установочные, направляющие элементы, зажимные устройства и другие вспомогательные детали и механизмы.

Корпус воспринимает силы, возникающие при обработке, а также усилия зажима. Корпус должен быть жестким, прочным, иметь минимальную массу. Конструкция корпуса должна быть простой в изготовлении, удобной для установки и съема заготовки, очистки от стружки, допускать установку заготовки без выверки, а также обеспечивать соблюдение требований техники безопасности.

Универсально-сборные и наладочные приспособления. Осуществление эффективной технологической подготовки производства, рост производительности труда, снижение себестоимости обусловливают стандартизацию деталей узлов приспособлений. Использование системы универсально-обратимых приспособлений — универсально-сборных (УСП) и универсально-наладочных (УНП), состоящих из набора элементарных деталей, – позволяет компоновать различные приспособления для выполнения разнообразных работ.

Применение стандартных деталей и узлов приспособлений сокращает их номенклатуру, объем конструкторских работ, снижает себестоимость их изготовления. В настоящее время на машиностроительных заводах применяют около 70 % стандартных деталей при конструировании и изготовлении приспособлений. Универсально-сборными приспособлениями оснащают токарные, сверлильные, фрезерные, расточные и другие станки. С помощью системы УСП обрабатывают детали размерами до 1000 мм, а при выполнении сварочных работ до 1500 мм. Использование системы УСП позволяет повысить износоустойчивость деталей (срок службы деталей составляет примерно 10 лет).

Система УНП основана на агрегатировании стандартных узлов. В одном корпусе приспособления путем замены кассет, предназначенных для установки заготовок, можно производить обработку группы деталей.

Установочные элементы монтируют на массивных плитах, обладающих большой жесткостью, что создает устойчивость при работе станков и отсутствие вибрации при ударных и переменных нагрузках.

УСП и УНП собирают на заводе слесари-монтажники из готовых деталей и узлов на основании карты технологического процесса. На крупных машиностроительных заводах работают специальные группы слесареймонтажников, которые осуществляют сборку УСП и УНП.

а, б – с неубирающейся и убирающейся рукоятками; в, г – с опорной рифленой пятой;

д, е – с опроной плитой и без плиты с шестигранной головкой под ключ Рис. 16. Винтовой прихват: Рис. 17. Зажимной механизм 1 – зажимной винт; 2 – регулирующий с двухскосным клином:

болт с гайками; 3 – прижимная планка; 1 – рычаг; 2 – плунжер; 3 - клин Рис. 18. Зажимной механизм с криволинейными клиньями:

а – с утопающим шариком; б – с вытяжным цилиндрическим пальцем; в – с вытяжным коническим пальцем; г – фиксатор клиновой с прорезью а, б – пневмоцилиндры соответственно двустороннего и одностороннего действия;

в, г – пневмокамеры соответственно дву- и одностороннего действия:

1 – корпус; 2 – плунжер; 3 – шток; 4 – распределительный кран; 5 – пружина;

Рис. 22. Гидрошайба с усилением зажима 120 кН:

1 – гайка; 2 – корпус; 3 – плунжер; 4 – корпус цилиндра; 5 – поршень; 6 – гайка; 7 – силовой винт; 8 – уплотнение

6. СЕБЕСТОИМОСТЬ ТУРБИН И РЕЗЕРВЫ ЕЕ СНИЖЕНИЯ

6.1. Оценка экономической эффективности технологических Любую деталь можно обработать несколькими способами, которые в одинаковой степени обеспечивают необходимую точность обрабатываемого размера и параметры шероховатости. Однако трудоемкость, производительность и себестоимость обработки различаются.

Экономичность того или иного способа обработки (операции) определяется при сопоставлении вариантов обработки детали и сравнении себестоимости детали, получаемой при осуществлении этих вариантов, в заданных условиях производства.

Для решения вопроса экономичности процесса необходимо выразить себестоимость изготовления детали в виде функции от категории затрат, зависящих от характера процесса обработки. К таким затратам относятся расходы на капитальные затраты, связанные со строительством объектов, приобретением оборудования, изготовлением приспособлений, наладкой станков, и другие затраты, не зависящие от объема производства.

Значит, себестоимость изготовления всех деталей, отнесенных к определенному периоду времени, где А производственные расходы на одну деталь;

п число деталей, изготовленных за рассматриваемый В капитальные и периодические расходы, отнесенные к тому же Следовательно, себестоимость изготовления одной детали Для сравнения вариантов технологического процесса методом технико-экономического анализа необходимо определить себестоимость изготовления детали для каждого из сопоставляемых вариантов по формулам (1), (2). После определения себестоимости (C1 и С2 - себестоимость соответственно первого и второго вариантов) принимают наиболее экономичный, обеспечивающий наименьшую себестоимость вариант.

По формуле (2), кроме того, можно определить в обоих сравниваемых вариантах равную себестоимость при определенном числе обрабатываемых деталей. Исходя из условия, что себестоимость первого варианта равна себестоимости второго варианта при различных методах обработки, можно найти величину так называемой эффективной программы Пэф, при которой запроектированные технологические процессы равноценны.

Составим систему уравнений При С 1 = С 2 имеем A1n1 + B1 = A2 n2 + B2.

В зависимости от программы предпочтение отдается варианту, имеющему наименьшую себестоимость, которая включает не только затраты труда, но и затраты, необходимые для изготовления специального оборудования, приспособлений и инструмента.

Основные пути улучшения технико-экономических показателей заключаются в выполнении ряда мероприятий, к которым относятся рациональная организация рабочего места, предусматривающая необходимую предварительную подготовку его; своевременное и четкое обслуживание рабочего места в процессе работы, а также наиболее совершенная его планировка. Все эти мероприятия направлены на сокращение вспомогательного времени на обслуживание и улучшение условий труда.

Максимальное сокращение вспомогательного времени достигается при использовании быстродействующих установочно-зажимных приспособлений, специальных режущих и контрольных инструментов и специальной оснастки. Применение прогрессивного оборудования, многоцелевых станков с ЧПУ обеспечивает высокую производительность труда с максимальным использованием оборудования по мощности и времени.

Применение режущего инструмента, оснащенного сплавами, позволяющими вести обработку на высоких режимах резания, одновременная обработка нескольких поверхностей специальным комбинированным режущим инструментом, одновременное обслуживание нескольких станков и т. п.

дают возможность добиться снижения затрат времени на обработку, добиться лучшего использования оборудования и снижения себестоимости обработки изделий.

6.2. Нормирование и повышение производительности труда Под производительностью труда понимается эффективность затрат труда, уровень трудовых затрат на единицу продукции. Непрерывный технический прогресс, техническое совершенствование производства являются материальной основой и главным источником быстрого роста производительности труда на предприятиях. Технический прогресс находит свое выражение в создании новых более экономичных и эффективных машин, которые могут изготовляться с меньшими затратами труда и материальных ресурсов. Ведущая роль в этом деле принадлежит конструкторам и технологам предприятия.

В машиностроении измерение производительности труда ведется в единицах нормированного времени. Вопросы нормирования труда подробно излагаются в экономических дисциплинах. В данном разделе приведены только основные положения технического нормирования, позволяющие разъяснить некоторые технологические основы повышения производительности труда.

Время t, затрачиваемое на операцию, слагается из двух частей:

а) подготовительно-заключительного времени (Тп.-з), затрачиваемого на приемы, производимые рабочим один раз на всю партию изготовляемых деталей, т. е. времени на ознакомление с чертежом и технологическим процессом, на наладку станка для обработки партии деталей, на получение и сдачу работы, приспособлений, инструментов, чертежей и технологической документации, а также времени на приведение в порядок рабочего места после окончания работы;

б) штучного времени (t шт), т. е. основного времени, затрачиваемого на выполнение данной операции для одной детали.

Изложенное может быть записано в виде формул или где n Tпарт = tn нормированное время на выполнение одной операции при Сокращение подготовительно-заключительного времени может быть достигнуто на основе лучшей организации труда, своевременной и хорошей подготовки производства, правильного обслуживания рабочего места, предварительного комплектования чертежей, инструментов и приспособлений, необходимых для выполнения операции и подноски их к станку, применения прогрессивных быстро-налаживаемых приспособлений и других мероприятий по совершенствованию организации производства.

Штучное время выражается формулой где tот основное технологическое время;

tв вспомогательное время;

tоб время обслуживания рабочего места;

tд время перерывов на отдых и физиологические потребности При обработке деталей на металлорежущих станках основное технологическое время рассчитывается для каждого технологического перехода в отдельности по формуле вида где L расчетная длина обработки, мм, получаемая путем прибавления к длине обрабатываемой поверхности размеров пути на врезание и перебег режущего инструмента;

i число проходов в данном переходе;

Sm минутная подача инструмента, мм.

При расчетах используются операционно-нормировочные карты по разработанному технологическому процессу. Вспомогательное время затрачивается на элементарные действия (приемы), являющиеся вспомогательными при обработке деталей. Сумму основного и вспомогательного времени называют оперативным временем. При станочной обработке основное технологическое время может быть уменьшено за счет повышения режимов резания Sm, уменьшения расчетной длины L уменьшения числа проходов i.

Из технологических мероприятий, направленных на повышение режимов резания, можно назвать внедрение нового высокопроизводительного оборудования, модернизацию действующего оборудования, совершенствование конструкции и геометрии режущего инструмента, изыскание и внедрение в производство новых высокостойких инструментальных материалов и твердых сплавов.

Сокращение вспомогательного времени может быть достигнуто за счет механизации и автоматизации работ. Даже при выполнении станочных операций, которые считаются механизированными, большинство вспомогательных приемов являются не механизированными, так как выполняются вручную. К ним относятся установка и закрепление деталей, управление механизмами станка, контроль размеров детали в процессе обработки. Процесс резания, т. е. основная полезная работа станка, затрачиваемая на резание металла, особенно на крупном оборудовании при обработке корпусных деталей турбин, составляет меньше половины штучного времени. Поэтому механизация вспомогательных приемов является крупным резервом повышения производительности труда и лучшего использования оборудования.

При определении направления рационализации технологических и производственных процессов не может быть общего подхода. В каждом отдельном случае должны приниматься решения, основанные на глубоком анализе конкретных условий. В одном случае это может быть повышение режимов обработки, т. е. сокращение машинного времени, а в другом вспомогательного.

Рассмотрим, например, обработку турбинных лопаток первой и последней ступени. Лопатка первой ступени имеет длину 40 мм, а последней ступени 1030 мм. В первом случае машинное время при обработке наружного профиля профильной фрезой составляет около 2 мин, а во втором 55 мин при установочном времени соответственно 2 и 6 мин. Если с применением механизации установочное время можно сократить в 3 раза, то в первом случае это даст сокращение штучного времени на 33 %, а во втором только на 5 %. В силу этого в первом случае (учитывая меньшую сложность модернизации приспособления, чем во втором случае) механизация зажима детали в приспособлении может оказаться целесообразной, тогда как во втором случае затраты на ее осуществление могут не оправдаться.

Основными мероприятиями, которые направлены на повышение производительности труда, являются модернизация конструкции выпускаемой продукции и разработка новых наиболее экономичных и эффективных машин, которые можно изготовлять с меньшими затратами труда и материальных ресурсов; повышение технологичности изделий; внедрение прогрессивной технологии; совершенствование парка основного оборудования предприятий на основе более высокопроизводительных станков и модернизации существующих; оснащение технологических процессов высокопроизводительными инструментами и приспособлениями, механизирующими и автоматизирующими труд; максимальная типизация технологических процессов и унификация деталей, что позволяет совершенствовать форму и виды применяемых производственных процессов.

6.3. Себестоимость турбины и методы ее расчета Каждая изготавливаемая машина должна не только отвечать всем требованиям ее служебного назначения, но и отличаться от ранее выпущенных меньшими затратами материалов и обоих видов труда (живого и овеществленного).

Полные затраты труда и материалов на изготовление машины, выраженные в денежной форме, определяют себестоимость машины. Непрерывное снижение себестоимости выпускаемых машин является одной из основных задач технологии машиностроения. Различают себестоимость машины в целом, себестоимость ее отдельных сборочных единиц, деталей и отдельных операций технологического процесса их изготовления. Подсчет себестоимости получил название калькуляции. Подробно методы расчета себестоимости излагаются в экономических дисциплинах. Снижение себестоимости достигается путем проведения большого количества различных организационно-технических мероприятий. На рис. 23 показана структура себестоимости турбины по усредненным показателям ряда турбинных заводов6. Как можно определить по этому рисунку, основными резервами снижения себестоимости являются:

снижение расходов на материалы, что может быть достигнуто путем применения заготовок, форма и размеры которых близки к форме и размерам готовой детали, что способствует уменьшению расхода металла;

применение более дешевых марок материалов и более дешевых заготовок;

снижение трудозатрат за счет совершенствования технологических процессов;

снижение накладных расходов путем лучшего использования оборудования, приспособлений и инструментов, экономии электроэнергии, воды, воздуха, топлива и других вспомогательных материалов, стоимость которых учитывается в статье накладных расходов.

Рис. 23. Примерная структура себестоимости турбин, %:

I стоимость покупных полуфабрикатов и изделий; II стоимость полуфабрикатов своего производства и материалов; III общезаводские расходы; IV цеховые расходы; V заработная плата работников предприятия

7. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ

ТУРБОСТРОЕНИЯ

Чтобы определить, к какому типу производственного процесса следует отнести турбинное производство, необходимо знать его отличительные особенности. Ниже приведены основные особенности турбинного производства.

1. Относительно малое число турбин, одновременно находящихся в производстве. План производства крупных турбин на заводах показывает, Долицкий Н.И. Технико-экономические показатели производства стационарных паровых турбин. М.;Л., 1964.

что их выпуск в месяц редко превышает одну, две, это относится и к выпуску турбин средних и малых мощностей. Одновременное изготовление нескольких турбин одного и того же типа, как правило, не ведется. Исключение составляют газовые турбины небольших мощностей (ГТ-6-750, ГТН-10 и ГТН-16).

2. Отсутствие опытного образца турбины. Первый образец нового типа турбины не является опытным, он предназначен для установки на электростанции. В первоначальной стадии эксплуатации первого образца турбины в производство запускают следующий экземпляр этого типа турбины.

Уточнение чертежей, технологического процесса и оснастки происходит параллельно с изготовлением турбины.

3. Продолжительность цикла изготовления турбин больших мощностей составляет 5-8 мес., а турбин малых мощностей 2,5-3 мес. Изготовление первого головного образца турбины новой марки составляет 12-18 мес.

4. Оборудование, применяемое для изготовления турбин, в основном универсальное. Для обработки наиболее крупногабаритных деталей (корпус цилиндров) в настоящее время применяют многоцелевые специализированные станки с максимальной концентрацией всех видов обработки.

5. Объем разметочных работ составляет около 6,5 %, а объем слесарных работ с учетом механизированного инструмента по паровым и газовым турбинам - соответственно 40-45 и 50-55 %.

Приведенные технико-экономические показатели являются в основном общими для турбостроительных заводов. Поэтому турбинное производство можно отнести к мелкосерийному.

Если в целом турбинное производство носит мелкосерийный характер, то об изготовлении диафрагм и турбинных лопаток этого сказать нельзя. Изготовление этих сборочных единиц и деталей имеет характер крупносерийного и массового типа производственного процесса. Например, число рабочих лопаток газовых и паровых турбин одной турбины составляет 1350шт.

В связи с ростом объемов производства, увеличением числа однотипных турбин проводятся работы по стандартизации и унификации деталей и сборочных единиц. К 2004 г. на электростанциях работало 22 типа паровых турбин на 3000 об/мин мощностью 40-120 МВт. Проточные части этих турбин включают 728 ступеней, образованных 522 типоразмерами направляющих и 499 типоразмерами рабочих лопаток. Были выполнены работы по унификации различных конструктивных элементов лопаточного аппарата, что позволило сократить число профилей рабочей части лопаток постоянного сечения с 50 до 38, направляющих лопаток постоянного сечения с 51 до 38, сократить число профилей хвостовых соединений лопаток с до 111. На базе унификации осуществлена стандартизация конструктивных элементов лопаток, муфт роторов, крепежных изделий.

Техническая подготовка производства паровых и газовых турбин определена ГОСТ 14.001-73, 14.002-73 и 14.003-74. Особенностями технической подготовки производства паровых и газовых турбин являются большая сложность и длительная предварительная подготовка самого производства.

Срок конструкторской подготовки производства при проведении экспериментально-исследовательских работ для отдельных турбин больших мощностей 12-30 мес. Этот срок включает разработку технического проекта турбины с утверждением его у заказчика и выпуск рабочих чертежей.

Следующая стадия технической подготовки производства разработка технологического процесса, проектирование специальной оснастки и режущего инструмента, их изготовление в инструментальных цехах завода.

Время для выполнения этого этапа работ составляет от 4 до 8 мес. Следовательно, общий срок технической подготовки производства является весьма продолжительным и превышает сроки изготовления головного образца турбины.

Эффективным способом ускорения технической подготовки производства является совместная и параллельная работа конструктора и технолога, когда одновременно с разработкой конструктором чертежей детали или узла машины технологи разрабатывают технологический процесс. Такая совместная работа повышает технологичность конструкций турбины, обеспечивает соответствие конструкций требованиям передовой технологии и т. п.

Турбостроительные заводы имеют специальные участки и стенды, на которых осуществляются испытательные работы по отработке наиболее ответственных деталей и узлов турбины. Каждая турбина после окончательной сборки на специальном стенде завода испытывается. Только после испытаний турбины отгружают заказчику.

Конструкторский отдел завода имеет тесные связи с электростанциями, на которых устанавливают турбину. В таких отделах производится окончательная проверка надежности работы всей турбины.

Заводы используют также опыт работы родственных предприятий, обобщенный и рекомендованный научно-исследовательскими институтами, занимающимися проектно-конструкторскими разработками.

7.2. Совершенствование станочного парка турбинных заводов В производстве турбин, как следует из анализа станочного парка, приведенного в п. 1.9 главы первой, преобладает универсальное оборудование с ручным управлением. Это объясняется сравнительно низкой эффективностью применения станков с ЧПУ в условиях мелкосерийного производства, характерного для турбостроения.

Станки с оперативной системой управления. Применение мини-ЭВМ на базе микропроцессорной техники позволяет повысить эффективность использования станков с ЧПУ как для мелкосерийного турбинного производства, так и при обработке всего лишь нескольких деталей. Повышение эффективности осуществляется с помощью оперативной системы управления (ОСУ), управляющей программы (УП) и клавиатуры станка. Программирование производится непосредственно ручным вводом программы управления путем нажатия соответствующих клавиш. В памяти устройства хранятся различные стандартные циклы:

нарезание резьб, При вводе программы на эти циклы требуется только указать необходимые размеры, а разделение припуска между отдельными рабочими ходами инструмента и обеспечение постоянного объема стружки осуществляются автоматически.

Траектория движения инструмента определяется системой управления без участия оператора. Более того, некоторые системы позволяют производить программирование по чертежу или эскизу. Для упрощения ввода программ пользуются специально подготовленными таблицами.

В условиях производства турбин станки с оперативным управлением успешно могут заменить несколько универсальных станков с ручным управлением благодаря быстроте переналадки и высокой производительности. Кроме того, в станках с ОСУ предусматривается возможность устранения трудоемкой предварительной установки положения инструмента относительно обрабатываемой поверхности детали (введение программы коррекции и позиционирования). По результатам обработки можно производить редактирование программы с целью устранения ошибок и внесения исправлений. Это делается непосредственно на рабочем месте. Затем, применение станков с ОСУ позволяет получать поверхности деталей сложной конфигурации при помощи стандартных инструментов без использования фасонных резцов, копиров и т. д.

Применение станков с оперативным управлением облегчает труд станочника и упрощает управление станком, позволяет автоматизировать стандартные циклы (нарезание резьбы, сверление и т. д. ), повышает точность и культуру производства, делает работу станочника творческой.

Обрабатывающие центры и совершенствование станков с ЧПУ.

Для обработки корпусных деталей турбин целесообразно использовать станки с автоматической сменой инструмента обрабатывающие центры.

Обрабатывающие центры (ОЦ) снабжаются устройствами для смены отдельных инструментов и многошпиндельных головок. ОЦ позволяют устанавливать на горизонтальном шпинделе вертикальную шпиндельную головку, которая имеет устройство автоматической смены инструмента или инструментальные магазины, в которых закреплены различные режущие инструменты. Станки снабжаются сменными столами и наборами поворотных плит, позволяющими осуществлять быструю автоматическую замену обрабатываемых заготовок различного типа и размеров с контролем позиционирования базовых поверхностей.

Многоцелевой станок (обрабатывающий центр) сходен с фрезерным, но имеет больше осей перемещения и всегда снабжается системой ЧПУ. Фрезеровальные центры допускают быстрый переход с одного процесса резания на другой, например, с одного сверла на другое или со сверла на метчик (инструмент для нарезания внутренней резьбы). Многоцелевые станки, как правило, рассчитаны на выполнение совокупности таких операций, как сверление, развертывание, нарезание резьбы метчиком, подрезка, торцовое фрезерование, нарезание канавок, расточка и пр. Имеются модели с вертикальными и горизонтальными шпинделями. Многие выпускаемые станки могут выполнять точную обработку одновременно четырех или пяти сторон призматической детали. При обработке сложных турбинных деталей, требующих выполнения некоторой последовательности разных операций, многоцелевые станки заменяют несколько станков разного типа.

Для обеспечения автоматического цикла обработки обрабатывающие центры снабжаются устройствами для контроля состояния режущего инструмента и степени его затупления. Это можно осуществить, контролируя затрачиваемую мощность, крутящий момент или силу тока привода шпинделя, а также по величинам составляющих силы резания. В обрабатывающих центрах предусматривается смена режущего инструмента на основе программы в зависимости от расчетного периода стойкости. Созданы системы компенсации систематических погрешностей обработки и погрешностей закрепления обрабатываемых заготовок.

Станки с ЧПУ для расширения их использования в турбинном производстве нуждаются в совершенствовании. Прежде всего необходимы повышение точности обработки заготовок и компенсация возникающих погрешностей. Новые системы предусматривают компенсацию систематических погрешностей обработки, связанных с тепловыми деформациями технологической системы, влиянием люфтов и погрешностей перемещений.

Применяются устройства коррекции погрешности закрепления заготовок.

Вводится автоматическое измерение получаемых размеров и коррекция положения инструмента. Устанавливаются ограничители, прекращающие процесс обработки при достижении предельных значений сил резания, мощности, крутящего момента и т. п.

Расширяется применение адаптивных систем управления по силе и мощности резания, изменяющих частоту вращения шпинделя и подачу.

Применение адаптивных систем управления особенно целесообразно при значительных колебаниях припусков (поковка вала ротора, отливка цилиндров и др.) и механических свойств обрабатываемых материалов. Такие колебания являются характерными для производства паровых и газовых турбин.

7.3. Применение прогрессивных методов обработки Совершенствование конструкций паровых и особенно газовых турбин связано с применением жаропрочных сплавов, трудно поддающихся или совсем не поддающихся обработке резанием. Наиболее затруднительной, а в некоторых случаях просто невозможной, становится обработка рабочих частей лопаток.

Решение возникших проблем потребовало применения методов обработки заготовок турбинных деталей, базирующихся на достижениях различных отраслей науки и техники.

Особенностью этих методов обработки является независимость скорости и точности формообразования обрабатываемой детали от твердости, вязкости и других физико-механических свойств материала заготовки. В практике наибольшее применение получили электрогидравлический, электроэрозионный, электрохимический, ультразвуковой, электронно-лучевой и светолучевой методы обработки. При этих способах обработки съем металла и формообразование поверхности детали происходит под действием электрической, световой и химической энергии без преобразования ее в механическую, тепловую или другие виды энергии вне обрабатываемой зоны.

Электрогидравлический метод обработки основан на возбуждении импульсного высоковольтного разряда в среде жидкости. Под действием этих импульсов сверхвысокие давления жидкости в виде импульсов при фокусировании на заданный участок поверхности осуществляют обработку заготовок. Метод применяется для наклепа поверхностей металлических изделий, прошивания отверстий в хрупких неметаллических материалах.

Электроэрозионный метод обработки базируется на некоторых свойствах воздействия электрической энергии. При возникновении импульсных электрических разрядов происходит выделение тепла, в результате чего достигается направленное разрушение токопроводящих материалов. Такое явление получило название электрической эрозии. Она протекает в результате испарения, плавления и гидродинамического выброса расплавленного металла. Электроэрозионный метод обработки деталей имеет следующие разновидности: электроискровой, электроимпульсный, анодномеханический и электроконтактный.

Электроискровой метод, основанный на явлении электрической эрозии в результате возникновения искрового разряда в эрозионном промежутке между двумя электродами (деталью и инструментом), характеризуется высокими температурами. Как правило, операции электроискровой обработки осуществляются в жидкой среде (диэлектрике) - воде или керосине. Несмотря на высокие температуры в межэлектродном промежутке, возникающие при электрическом разряде, обрабатываемое изделие практически не нагревается, так как искровой разряд протекает в миллионные доли секунды. Электроискровая обработка применяется преимущественно при обработке сложных фасонных поверхностей деталей, выполненных из жаропрочных и тугоплавких сплавов, и обработке отверстий малого диаметра. Недостатками электроискрового метода обработки деталей являются значительный износ электродов и сравнительно малая производительность.

Сущность электроискрового метода заключается в следующем: при проскакивании искры в воздушном промежутке (рис. 24, а) между инструментом (катодом) 1 и обрабатываемой деталью (анодом) 2 происходит нагрев той небольшой поверхности, на которую попадает искра, и металл оплавляется. Сам процесс происходит в виде как бы небольших взрывов: металл, расплавленный искрой, в газообразном состояний мгновенно расширяется и перемещается с поверхности анода на катод, оседает на нем и затвердевает в виде наростов. Если же процесс вести в какой-либо жидкости, не проводящей электрический ток (например, в керосине), то искра будет проскакивать в этом промежутке между катодом и анодом так же легко, как и через воздух, но образования наростов происходить не будет, так как брызги металла будут оседать в жидкости, а изделие в месте соприкосновения с инструментом примет его форму.

Схема применения электроискрового метода обработки показана на рис. 24, б. Электрический ток подводится через сопротивление 3 от зажима 1 генератора постоянного тока к электроду-инструменту 5 и через зазор а проходит к обрабатываемой детали 6 и затем к зажиму 2. В электрическую цепь включен конденсатор 4, создающий импульсы, необходимые для образования искры. Соленоидный регулятор заставляет колебаться электрод 5. При проскакивании искры ток также будет проходить через соленоид, намагничивать сердечник 8 и втягивать катушку 7. Это вызовет подъем электрода, увеличение зазора а и разрыв электрической цепи. Подача тока в катушку соленоида прекратится, сердечник размагнитится, и шпиндель с электродом опустится вниз. При достижении установленной величины зазора а опять произойдет проскакивание искры и весь процесс повторится, в результате чего в обрабатываемой детали прошьется отверстие по форме электрода.

Отверстие может быть любой формы и несквозным, выполняемым вдоль оси рабочей части для облегчения.

Электроимпульсная обработка более усовершенствованный способ по сравнению с электроискровым. Улучшение технологических характеристик электроимпульсного способа обусловлено применением специальных независимых генераторов, униполярных импульсов типа МГИ-2, МГ-3 и др. Отличительной особенностью генераторов является постоянство и независимость частоты, продолжительности и амплитуды импульсов тока от физического состояния эрозионного промежутка. Область применения электроимпульсного способа обработки та же, что и электроискрового, но он имеет более высокие технологические и экономические показатели. Поэтому метод широко применяется в газотурбостроении для обработки лопаток и других деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, например, для предварительной обработки пера лопаток из жаропрочных сплавов перед окончательной электрохимической обработкой, а также для перфорации охлаждаемых лопаток.

Рис. 24. Электроискровой метод обработки:

В турбостроении применяются все указанные разновидности электроэрозионной обработки. Для выполнения различных технологических процессов электроэрозионной обработки отечественной станкостроительной промышленностью разработан и выпускается целый ряд электроэрозионных станков, которые по своему назначению подразделяются на универсальные прошивочные (4Д721АФ1, 4Л721Ф1, 4Д722, АФЗ, 4Е723-01, 4Э724 и др.), универсальные станки для профильной обработки (типа 4631, 4720М), электродом-инструментом в которых является движущаяся проволока, и специальные электроэрозионные станки, например, для обработки лопаток, для прошивки отверстий малого диаметра в форсунках, для упрочнения поверхностей деталей, клеймения и др. Для обработки сложных деталей применяются электроэрозионные станки с программным управлением (типа 4532ФЗ, 4732ФЗ, 4А423ФЦ). На этих станках профильная обработка осуществляется движущейся тонкой проволочкой, траектория движения которой задается программой с одновременным регулированием скорости движения в зависимости от интенсивности процесса эрозии.

Для анодно-механической резки металлов применяются дисковые отрезные анодно-механические станки типа АМО-31, АМО-32, 4820, АМ-5-117, АР-300, а также ленточные разрезные анодно-механические станки типа 4А850, 4А860 и др. Анодно-механическое разрезание наиболее эффективно для жаропрочных, коррозионно-стойких и закаленных сталей больших сечений.

Предварительная прорезка межлопаточного канала в цельной заготовке диска производится графитовым электродом-стержнем, имеющим форму впадины между двумя соседними лопатками. Окончательная обработка профиля пера лопаток производится медным или медно-графитовым электродом, состоящим из двух элементов, один из которых имеет профиль, эквидистантный спинке лопатки, а другой корыту. Рабочей жидкостью при электроэрозионной обработке лопаток служит керосин. Для обработки лопаток из деформируемых жаропрочных сплавов рекомендуется применять средние электрические режимы: рабочее напряжение 20-30 В, сила тока 30-50 А. Производительность электроэрозионной обработки зависит от теплофизических параметров материала обрабатываемых изделий и электродов, электрических параметров импульсов тока и свойств межэлектродной среды. Производительность электроэрозионной обработки обычно определяется количеством металла, снятого с обрабатываемой поверхности детали в единицу времени, мм3/мин (или г/мин):

где С коэффициент, зависящий от теплофизических констант металла и электрода; А энергия импульсов; f частота импульсов.

Схема электроимпульсной обработки лопатки одновременно с двух сторон приведена на рис. 25.

Сущность электроимпульсного процесса формирования поверхностей заключается в следующем. В ванне с диэлектриком помещаются обрабатываемая лопатка и электроды. К обрабатываемым поверхностям электродов, которым придана обратная форма, подводится импульсное напряжение от генератора импульсов. В результате воздействия электрического тока начинается съем металла с поверхности лопатки и перевод его в электролит. При этом электродам сообщается перемещение сближения со скоростью рабочей подачи s с деталью. Процесс съема металла завершается при достижении электродом определенного положения сближения со скоростью рабочей подачи.

Источники технологического тока машинные генераторы униполярных импульсов с напряжением (средним) 24-26 В с частотой импульсов 400 имп./с.

Рис. 25. Схема электроимпульсной обработки профилей лопатки 1 инструменты-электроды; 2 привод перемещения Производительность процесса, определяемая интенсивностью съема металла, главным образом зависит от силы тока и достигает 1000 мм3/мин.

Точность образованных при обработке поверхностей не превышает 0,25-0,3 мм, а глубина измененного против основного металла по химическому составу и механическим характеристикам слоя достигает 0,3-0,5 мм.

После электроимпульсной обработки припуск на последующую обработку должен в два раза превышать величину измененного слоя.

Станкостроительная промышленность серийно выпускает несколько моделей станков для электроимпульсной обработки лопаток. На некоторых из них (например, модели 473 и 4723) обрабатываются попеременно внутренний и наружный профили. Модель МЭ-8, применяемая при производстве лопаток, позволяет одновременно обрабатывать внутренний и наружный профили непосредственно из штампованной заготовки с припуском до 4 мм. Станок двухпозиционный и может быть настроен на обработку с двух сторон одновременно двух деталей либо одного типоразмера, либо двух различных типоразмеров.

Для электроимпульсной предварительной обработки полного контура рабочей части лопаток длиной до 250 мм создан станок модели МЭ-64.

Обработка производится в трех позициях шестью головками.

Электроимпульсный способ черновой обработки рабочей части лопаток выгодно отличается от механической обработки более высокой производительностью, которая является одинаковой для обработки лопаток из любых известных жаропрочных сталей и сплавов и не зависит от сложности профиля. При этом уменьшение числа операций приводит к сокращению цикла изготовления лопаток.

Процесс эрозии для различных металлов протекает с различной интенсивностью, а следовательно, производительность электроэрозионной обработки металлов различна. Зависимость интенсивности эрозии от свойств металлов называется электроэрозионной обрабатываемостью.

Наилучшей обрабатываемостью обладают магний, алюминий, наихудшей твердые сплавы молибден и вольфрам.

Электроэрозионная прошивка отверстий малого диаметра широко применяется для перфорации охлаждаемых лопаток газовых турбин. Электроэрозионная прошивка отверстий в лопатках производится с помощью электродов-гребенок, позволяющих за один проход получать до 100 отверстий. Электрод вольфрамовые нити диаметром 0,5-1,5 мм и длиной 100мм. При толщине стенки пустотелой лопатки 2 мм время обработки одного прохода составляет около 6 мин. Операция прошивки отверстий производится на электроимпульсном станке типа 4Г-721. Рабочий раствор ванны состоит из 85 % керосина и 15 % трансформаторного масла. Электроды ввиду неоднородности их выгорания периодически подрезаются до одного уровня.

Анодно-механический способ обработки характеризуется тем, что продукты обработки из рабочей зоны удаляются непрерывно перемещающимся электродом-инструментом диском или лентой. Этот метод наиболее эффективен для выполнения отрезных операций разрезки труб, болванок и других изделий диаметром от 12 до 100 мм и более. Процесс анодно-механической резки заготовок осуществляется в результате комбинированного электрохимического, теплового и механического воздействия на анод разрезаемую заготовку. Режущий инструмент вращающийся диск или бесконечная лента из листовой стали толщиной от 0,5 до 1,5 мм служит катодом. Процесс анодно-механической резки производится в электролите, состав которого подбирается в зависимости от марки обрабатываемого материала. Для анодно-механической резки применяют специальные анодно-механические станки типа АМО-31, АМО-32 и др. Производительность процесса обработки при отрезных операциях на дисковых и ленточных отрезных станках очень высокая, она составляет примерно 1200-1300 мм площади реза в минуту. Анодно-механический метод применяется также для отделочного и притирочного шлифования. В данном случае процесс обработки заключается в механическом удалении окисных пленок, образующихся на поверхности обрабатываемой заготовки (анода) при прохождении тока между ее поверхностью и катодом-инструментом, помещенным в электролите. Интенсивность съема металла составляет около 10 мм/мин, при этом достигается высокая точность обработки и шероховатость поверхности не выше Ra = 0,63 мкм (ГОСТ 2789-73).

Сущность анодно-механического способа видна из схемы, изображенной на рис. 26. Электрод-инструмент 1, изготовленный из листового железа в виде диска, вращается вокруг своей оси. В пространство между этим диском и разрезаемой деталью 3 по трубке 2 подается электролит жидкое стекло. Электрод и заготовка детали присоединяются к генератору постоянного тока 4. Под действием электрического тока электролит растворяет металл, образуя на поверхности заготовки в месте разрезания тонкую пленку металла пониженной прочности. При своем вращении диск легко соскабливает эту пленку.

Рис. 26. Схема анодно-механического способа обработки:

1 – электрод-инструмент; 2 – трубка; 3 – разрезаемая деталь; 4 – генератор Электроконтактный способ обработки основан на механическом разрушении и формообразовании поверхностей детали, производимыми одновременно с разогревом и расплавлением поверхностей детали в результате воздействия электрического тока. Данный способ сходен с процессами механической обработки резанием, с той лишь разницей, что мехобработка осуществляется с введением электрического тока в зону резания. Так, например, электроконтактное фрезерование производится быстровращающимся дисковым инструментом, контактирующим с обрабатываемой поверхностью, электроконтактное точение производится резцом.

Введение тока в зону резания обеспечивает значительное снижение усилий резания и повышение производительности процесса механической обработки, особенно при обработке твердых и вязких коррозионно-стойких и жаропрочных сплавов. Электроконтактное точение и фрезерование чаще всего применяются для грубой обработки, преимущественно для удаления окисных пленок, окалины, отбела, ржавчины и других дефектов поверхностного слоя литых и кованых заготовок. Процесс обработки осуществляется в воздушной среде.

Электрохимическая размерная обработка (ЭХО) основана на явлении анодного растворения металла при прохождении электрического тока через электролит. Электролиты это вещества, обладающие в растворенном состоянии ионной проводимостью. При ЭХО в качестве электролитов обычно применяют водные растворы солей, кислот или оснований (щелочей).

Анодное растворение сопровождается образованием на обрабатываемой поверхности детали окисной пленки, плохо проводящей ток, в результате чего процесс ЭХО замедляется и прекращается. Для того чтобы процесс анодного растворения протекал непрерывно, необходимо удалять с обрабатываемой поверхности гидрат окиси металла. Это может осуществляться механическим путем или потоком электролита. Механический способ удаления продуктов гидролиза применяется главным образом при электрохимическом абразивном или алмазном шлифовании, хонинговании и полировании. В том случае, когда продукты анодного растворения удаляются потоком электролита, процесс обработки принято называть электрохимической размерной обработкой в проточном электролите. Такой метод нашел самое широкое применение в авиационном двигателестроении.

Принцип ЭХО в проточном электролите заключается в том, что обрабатываемая деталь устанавливается относительно электродаинструмента с зазором, через который прокачивают с большой скоростью электролит. При этом деталь является анодом, а электрод-инструмент катодом. При прохождении электрического тока по цепи катод инструмент анод заготовка последняя под действием тока растворяется, принимая форму электрода-инструмента. Продукты анодного растворения непрерывно удаляются с поверхности анода-заготовки потоком прокачиваемого электролита и осаждаются в баке в виде шлама.

Электроды-инструменты при электрохимической обработке практически не изнашиваются, сохраняют свою первоначальную форму и служат в качестве токопроводящих устройств в системе катод электролит анод. ЭХО осуществляется при малых межэлектродных зазорах; в зависимости от геометрических и электрохимических параметров обрабатываемой детали зазоры назначаются от 0,05 до 1,0 мм. Производительность процесса электрохимической обработки можно определить теоретически согласно закону Фарадея по формуле где Q количество снятого с обрабатываемой детали металла, мм3;

Cу объемный электрохимический эквивалент, мм3/(Амин);

I сила тока, A;

t время прохождения тока, мин.

Однако расчет производительности по приведенной формуле дает правильные результаты лишь при условии, если вся электрическая энергия, подводимая к электродам, расходуется на растворение металла. На практике это редко достижимо, так как часть энергии расходуется на другие протекающие в электролите процессы (например, на образование на аноде соединений растворяемого металла, обладающих повышенным электрическим сопротивлением, на расходование части проходящего тока на электролиз воды и нагрев электролита и ряд других сопутствующих явлений, снижающих интенсивность процесса анодного растворения). В результате расчетная производительность всегда больше фактической. Отношение фактической производительности к расчетной называется выходом по току. Значение выхода по току в электрохимических процессах зависит от многих факторов и может колебаться в относительно широких пределах. Оно характеризует удельную энергоемкость процесса: чем выше выход по току, тем ниже удельная энергоемкость и тем эффективнее технологический процесс ЭХО. Скорость съема металла с детали-анода при ЭХО находится в прямой зависимости от плотности анодного тока при условии сохранения стабильности других параметров процесса. Плотность тока определяет не только интенсивность съема металла, но также существенно влияет на шероховатость поверхности обрабатываемой детали.

Концентрация электролита, скорость его прокачки, температура, величина межэлектродного зазора прямого влияния на производительность обработки не оказывают, однако их регулирование имеет важное значение для обеспечения заданных точности, шероховатости поверхности и физикохимических свойств поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Чем выше плотность тока, тем выше производительность обработки и качество поверхности детали. В настоящее время ЭХО многих деталей производится при плотности тока до 200 А/см2 и выше. Для обеспечения стабильности протекания электрохимических процессов при такой высокой плотности тока предусматривается весьма интенсивная циркуляция электролита, скорость которой в межэлектродном зазоре достигает порядка 10-50 м/с.

ЭХО применяется преимущественно для формообразования сложных поверхностей, отверстий, удаления заусенцев и др. Для ЭХО изготавливаются как универсальные, так и специальные станки различного назначения, например для обработки лопаток газовых турбин. Несмотря на разнообразие конструкций каждый из этих станков состоит из следующих основных агрегатов: источника постоянного тока (мощный выпрямитель типа ИПП12/3000 или машинный генератор типа АНГ5000); электрохимической ячейки, в которой происходит анодное растворение обрабатываемой детали; устройства прокачки и очистки электролита; системы подачи катода и автоматического регулирования величины межэлектродного зазора.

ЭХО сложных поверхностей наибольшее применение получила в турбостроении для обработки профиля пера турбинных и компрессорных лопаток ГТУ из жаропрочных и титановых сплавов. Возможны четыре схемы обработки профиля пера лопатки: односторонняя и двухсторонняя, с неподвижным и подвижным электродом-инструментом.

Электрохимическая обработка профилей лопаток может быть произведена после электроимпульсной или может быть применена в качестве завершающей после механической обработки, а также и представлять собой финишную обработку непосредственно после формирования поверхностей точными методами штамповки или литья.

На рис. 27 изображена схема электрохимической обработки рабочей части лопатки двухсторонним методом с подвижными электродами.

Сущность процесса заключается в следующем. Лопатку помещают в корпусе контейнера между двумя инструментами-электродами. Через зазор 0,2-0,3 мм между обрабатываемыми поверхностями и инструментом со скоростью 10-12 м/с прокачивается электролит водный раствор поваренной соли. Инструменты и деталь подключаются к источнику постоянного тока с напряжением 10-15 В. При этом деталь является анодом, а инструменты катодом.

Рис. 27. Схема электрохимической обработки:

1 контейнер; 2 лопатка; 3, 4 подвижные инструменты-электроды; Vэ – скорость При малых зазорах происходит копирование профиля инструмента на аноде, т. е. на поверхности лопатки.

Бесконтактное положение инструмента и детали в зоне обработки исключает деформации лопатки, гарантирует отсутствие искрения и вибрации и высокую стойкость инструментов.

Достижимая шероховатость обработанных поверхностей Ra=0,32l,25 мкм. Припуск, оставляемый под электрохимическую обработку, составляет 1,0-1,5 мм. Для одновременной двусторонней обработки профильных поверхностей рабочей части лопаток применяются станки-полуавтоматы моделей АГЭ-2, АГЭ-3, ЭХО-1. Выдерживание заданного режима и выключение подачи инструмента при достижении установленных размеров детали осуществляются автоматически.

Станки модели АГЭ-3 предназначены для обработки лопаток длиной 65-170 мм и шириной рабочей части до 70 мм. Станок модели АГЭ-2 однотипен модели АГЭ-3 и предназначен для обработки лопаток длиной 170мм при ширине рабочей части до 90 мм. Точность обработки на них при высоких режимах, т. е. при плотности тока в пределах 15-25 А/см2, составляет 0,25-0,35 мм. При работе на низких режимах, т. е. при калибровке профиля, достижимая точность 0,15-0,25 мм. Станок модели ЭХО-1 предназначен для обработки лопаток длиной 80-160 мм при ширине рабочей части до 80 мм.

По заказу турбостроителей создан станок для электрохимической обработки полного профиля лопаток стационарных турбин модели МЭ-57.

На нем возможна обработка лопаток длиной 400-630 мм. Достижимая точность обработки 0,3 мм при шероховатости поверхности Ra=1,25 мкм.

Модель МЭ-77 представляет собой станок, предназначенный для обработки лопаток длиной до 250 мм с точностью обработки 0,15 мм. На тяжелом станке модели МЭ-75 предусматривается обработка очень больших лопаток (длиной до 1250 мм) с точностью 0,5 мм.

Электрод-инструмент для ЭХО изготавливают из металлов, обладающих высокой электропроводностью и стойкостью против коррозии. В частности, для обработки пера лопаток из жаропрочных сплавов на никелевой основе применяются электроды из стали 1Х18Н9Т. Они имеют профиль, обратный профилю поверхности детали, и изготавливаются на станках ЭХО методом обратного копирования относительно эталонной лопатки.

Обратное копирование электродов-инструментов на электрохимическом станке производится при тех же режимах и том же межэлектродном зазоре, которые будут применены при обработке лопатки. В качестве электролита применяют 10-15%-ные водные растворы хлористых солей, скорость прокачки электролита составляет 20-30 м/с. Рекомендуется следующий режим обработки: плотность тока 30-50 А/см, межэлектродный зазор 0,3-0,5 мм, давление электролита (0,2-0,5)106 Па, температура электролита 20-30 °С.

Точность пера лопатки после ЭХО зависит от равномерности распределения припуска по поверхности исходной заготовки, точности электродов-инструментов и режимов обработки. При ЭХО лопатки из штампованной заготовки обеспечиваются точность профиля пера 0,1-0,2 мм и шероховатость поверхности порядка Ra=2,5-0,63 мкм. Продолжительность рабочего цикла обработки одной лопатки составляет 15-20 мин.

Для обработки отверстий малого диаметра в деталях из жаропрочных и твердых сплавов наряду с электроэрозионным методом применяется также электрохимический метод. В качестве электрода-инструмента служат капиллярные трубки, изготавливаемые из титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей с изоляционными покрытиями нерабочих поверхностей электрода-инструмента Изоляционное покрытие электродов, обычно многослойное, осуществляется с помощью различных лаков и эмалей, устойчивых к разрушающему воздействию химических элементов применяемых электролитов. Толщина стенок и изоляционного слоя трубок электрода-инструмента выбирается из условий обеспечения соответствующего зазора и прохождения требуемого тока. Электрохимический метод обработки отверстий малого диаметра позволяет получать отверстия бездефектного поверхностного слоя с малой шероховатостью поверхности Ra = 0,32-1,25 мкм и высокой точностью в пределах 8-9-го квалитета. Для перфорирования лопаток ГТД широкое распространение получил электрохимический струйный метод обработки отверстий малого диаметра с помощью фасонных стеклянных трубок.

На рис. 28 показаны конструктивные схемы стеклянных электродовинструментов (запатентованные в США и ФРГ). Электрод-инструмент (рис. 28, б) выполнен из тонкой стеклянной трубки, вытянутой в конический капилляр. Внутри расширенной части трубки-катода помещен электрод из благородного металла (золота). Конструкция второго электродаинструмента (рис. 28, в) выполнена также из стеклянной капиллярной трубки, но без расширенной части. В капиллярную трубку вставлен тонкий электрод из благородного металла. Применение этих электродовинструментов позволяет обрабатывать отверстия d=0,125-0,2 мм, имеющие относительную глубину l d =50-100 мм с допуском ± 0,03 мм. Используются следующие режимы обработки: напряжение 100-300 В, давление электролита 5-7105 Па, подача электрода-инструмента 1-3,5 мм/мин; электролит серная кислота.

Наиболее перспективными в производстве лопаток оказались электроимпульсная обработка, предназначенная в основном для предварительной обработки, и электрохимическая для окончательной обработки.

Электрофизические методы часто сочетают с механическими методами обработки; электрофизическими методами обрабатывают рабочие части лопаток, а механическим резанием остальные элементы. Электрофизические методы, проверенные при изготовлении лопаток из жаропрочных сплавов, применяют в серийном производстве лопаток не только газовых, но и паровых турбин, имеющих сложную форму при меньшей жаропрочности материала. Они уже успешно используются при обработке лопаток длиной до 350 мм и внедряются при обработке лопаток большей длины.

В процессе электрохимической обработки термических явлений на обрабатываемой поверхности не происходит, вследствие чего отсутствуют остаточные напряжения, а следовательно, исключается и деформация лопаток. Однако после электрохимической обработки на поверхности лопаток обнаруживается растравливание по границам зерен, поэтому рекомендуется после нее проводить механическое полирование, оставляя для этого припуск около 0,05 мм.

Рис. 28. Схема электрохимической обработки отверстий малого диаметра:

а металлический электрод-инструмент; б, в стеклянные электроды-инструменты;

1 подача электролита; 2 - электроды из благородного металла; 3 - стеклянная трубка;

4 - металлическая трубка; 5 - изоляция; 6 - обмазка из синтетической смолы;

В некоторых случаях в результате недостаточно надежной защиты установочных (базовых) поверхностей лопатки от циркуляции электролита происходит ненужное травление базовых поверхностей, вызывающее необходимость вводить дополнительную механическую обработку. Этого можно избежать путем обеспечения полной защиты установочных поверхностей, применяя латунные вставки, покрытые снаружи резиной.

Станки для электроимпульсной и электрохимической обработки обычно устанавливаются на одном производственном участке, так как они дополняют друг друга.

Электрохимическое полирование отделочный метод обработки поверхностей деталей анодным растворением поверхностных слоев металла.

Он применяется в машиностроении для получения блестящей гладкой поверхности деталей и является разновидностью электрохимического метода обработки. Этот процесс обработки основан на использовании для сглаживания шероховатости поверхности металла явления периодической анодной пассивности, сущность которого состоит в том, что при анодном растворении металла на поверхности обрабатываемой детали образуется вязкая пленка солей, предохраняющая от разрушения под действием тока микровпадины и не препятствующая растворению выступов, в результате чего шероховатость поверхности сглаживается, т. е. полируется. Электрополирование производится в электролитах, состав и свойства которых определяются в зависимости от материала детали. Рекомендуется следующий состав электролита для полирования нержавеющей стали и жаропрочных сплавов на никелевой основе (в весовых процентах): фосфорная кислота 40 %, серная кислота 40 %, хромовый ангидрид 3 %, вода 17 %.

Электрохимическое полирование деталей производится в ваннах с электролитом. Полируемую деталь, являющуюся анодом, помещают в ванну на контактной подвеске. В качестве катода применяют металлы, обладающие высокой электропроводностью, не поддающиеся разрушению и не покрывающиеся токонепроводимой пленкой (медь, свинец и др.). Используется следующий режим электрополирования никелевых сплавов:

напряжение на электродах 10-14 В, плотность тока 0,4-0,8 А/мм2. Удельная линейная скорость съема металла 7-10 мкм/мин. Обычно при электрополировании снимается с обрабатываемой поверхности слой металла до 0, мм, при этом достигается шероховатость поверхности Ra = 0,16-0,04 мкм.

Химическое травление производится в специальных травящих составах. Иногда этот метод называют химическим фрезерованием. Его начали применять в условиях серийного производства для обработки тонкостенных деталей сложного профиля (панелей, обшивок одинарной и двойной кривизны и др.). В зависимости от конструкции деталей производится сплошное или избирательное травление. При сплошном травлении происходит равномерный съем металла со всей поверхности заготовки. Избирательное травление производят с защитой отдельных участков поверхности заготовки от действия травящего состава. Для этих целей применяются различные лакокрасящие покрытия. Травление деталей производят в щелочных, кислотных и электрохимических средах. В случае выполнения операции в электрохимических средах процесс химического травления сходен с электрохимическим полированием. Химический состав травящего вещества выбирается в зависимости от рода обрабатываемого материала.

Так, например, для травления деталей из алюминиевых сплавов применяется водный раствор технически сухой щелочи (NaOH), подогретой до температуры 80 °С. Концентрация раствора 500-600 г на один литр воды;

для деталей из коррозионно-стойких сталей используется раствор, состоящий из 12 % серной кислоты, 15 % соляной кислоты, 3 % азотной кислоты, остальное вода. Температура 60-70 °С.

Процесс травления сопровождается выделением водорода, что отражается на свойствах поверхностного слоя; вследствие диффузии водорода возникают хрупкость и ломкость. Для предохранения изделия от вредного влияния водорода в раствор добавляют различные присадки, главным образом органические вещества: фенол, альдегиды, сульфированные отходы мясобоен (кровь).

Производительность метода очень высокая. Сплошное травление в течение 10-15 мин позволяет уменьшить толщину на 1,5-2 мм. Точность размеров выдерживается в пределах 0,05 мм. Стравливание металла происходит равномерно по всей поверхности. Глубина съема металла при избирательном травлении может достигать 20-30 мм и более.

Ультразвуковой метод применяют для обработки твердых и хрупких материалов (вольфрама, твердых сплавов, стекла, керамики, карбидов).

Он основан на обеспечении высокой скорости обработки материала при контакте вибрирующего инструмента с абразивами в виде пасты, водяной или масляной суспензии. Инструмент изготовляют из металла, в который абразивные частицы внедряются без его существенного износа. Металл должен обладать высокими пластическими свойствами.

Стержень инструмента (вибратор) служит только для обеспечения необходимого направления, а резание осуществляется абразивным материалом в виде суспензии на основе карбида бора или карбида кремния (рис. 29).

Рис. 29. Схема установки для ультразвуковой обработки:

1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – магнитострикционный вибратор; 4 – трансформатор;

Обрабатывающий инструмент изготовляют из конструкционной стали, профиль его соответствует форме обрабатываемой детали. Инструмент совершает продольные колебания частотой 16000-25000 с-1 с амплитудой 0,02-0,06 мм. В зазор между колеблющимся с ультразвуковой частотой рабочим торцом инструмента 2 и заготовкой 1 с помощью насоса 6 подается суспензия, в состав которой входят абразивный порошок и вода. Источником колебаний инструмента является магнитострикционный вибратор 3, в котором колебания электронного генератора преобразуются в механические. Магнитострикционная деформация торца вибратора составляет 5-10 мкм. Для увеличения амплитуды в 2-5 раз используют трансформаторы скорости 4 или акустические концентраторы 5, к узкому сечению которых крепят инструмент. В процессе обработки инструмент должен непрерывно перемещаться по направлению к заготовке. Производительность ультразвуковой обработки зависит от свойств обрабатываемого материала и абразивного материала, амплитуды и частоты колебаний инструмента, размеров обрабатываемой поверхности. Существующие модели ультразвуковых станков позволяют обрабатывать отверстия диаметром 0,15-90 мм при максимальной глубине обработки hmax = (2 5)D с точностью до 0, мм. Ультразвуковой метод может быть применен при изготовлении штампов и др.

Точность ультразвуковой обработки (УЗО) зависит от величины зерна абразива и при использовании мелкого абразива может быть получена в пределах 0,005-0,1 мм. Для достижения очень высокой точности при изготовлении отверстий сложной формы следует пользоваться двумя инструментами: черновым, имеющим размеры немного меньше, чем размеры требуемого отверстия, а чистовая обработка ведется другим полноразмерным инструментом. При обработке твердых сплавов и закаленных сталей производительность УЗО по сравнению с электроискровой несколько ниже, однако она обладает тем преимуществом, что при УЗО отсутствуют дефекты поверхности, свойственные электроискровому способу обработки (термические трещины, прижоги, раковины и др.). Поэтому УЗО целесообразно применять в сочетании с электроискровой обработкой: предварительную производить электроискровой, а чистовую ультразвуковой.

Производительность УЗО и износ инструмента связанные между собой величины. Степень износа инструмента в основном определяется физико-механическими свойствами обрабатываемого материала и оказывает существенное влияние на точность обработки. Чем ниже твердость обрабатываемого материала, тем выше производительность и ниже износостойкость инструмента и наоборот. Материал инструмента должен выбираться в зависимости от рода обрабатываемого материала. Например, при обработке стекла наибольшую износостойкость имеет твердосплавный инструмент, при обработке твердого сплава инструментальные стали У и ХВГ.

На производительность УЗО большое влияние оказывают величина зерна абразива и соотношение абразива, воды и суспензии. Оптимальный состав суспензии содержит одну весовую часть воды на 1, весовой части абразива. При обработке струя суспензии должна направляться непосредственно к месту соприкосновения инструмента с обрабатываемой деталью.

Электронно-лучевая обработка (ЭЛО) осуществляется с помощью острофокусированного на обрабатываемую поверхность детали потока ускоренных электронов с удельной мощностью порядка 107-109 Вт/см2 в условиях вакуума. При этом скорость электронов достигает 104-106 м/с, в зоне обработки деталь нагревается до температуры 6000-7000 °С, в результате чего происходит локальное разрушение материала путем его плавления и испарения. ЭЛО применяется для получения отверстий малого диаметра, узких прорезей и изготовления тонких пленок и небольших контуров в деталях из тугоплавких материалов.

Обработка производится на специальной установке, которая состоит из электронной пушки, вакуумной камеры с насосами, создающими вакуум порядка 310-3 Па, высоковольтного источника питания и системы управления. На установках электронно-лучевой обработки обычно применяется импульсный режим обработки, позволяющий регулировать энергию нагрева и управлять скоростью съема металла.

Длительность импульса изменяется 10-800 мкс с частотой 50-3000 Гц. В газотурбостроении ЭЛО применяется для перфорирования охлаждаемых лопаток.

Светолучевой метод обработки основан на использовании излучения лазера (оптического квантового генератора), которое фокусируется на обрабатываемую поверхность детали в пятно требуемого диаметра. Интенсивность потока сфокусированного излучения в месте обработки достигает 106-108 Вт/см2. Этого достаточно для мгновенного расплавления и испарения практически любых материалов, обладающих различными физикомеханическими свойствами. Обработка производится на воздухе с помощью оптического квантового генератора на твердом теле, в качестве которого служит крупный кристалл синтетического рубина, имеющий форму стержня. Рубиновый стержень является резонатором, в котором возникает и формируется луч, испускаемый лазером. Снаружи рубиновый стержень окружен спиралеобразной импульсной лампой-вспышкой, наполненной инертным газом (обычно ксеноном), которая вспыхивает при импульсном разряде через нее заряженного конденсатора.

Рис. 30. Схема одновременной обработки ряда отверстий светолучевым 1 – лазер; 2, 3 – линзы; 4 – растровый объектив; 5 – обрабатываемая поверхность Светолучевой метод обработки позволяет получать отверстия 0,01мм и глубиной до 20-40 мм. Производительность 30-60 отверстий в минуту. Светолучевая обработка нашла применение в газотурбостроении для перфорации охлаждаемых лопаток газовых турбин. Для повышения производительности обработки при перфорации лопаток светолучевым методом производится одновременная обработка ряда отверстий. С этой целью луч лазера разделяется с помощью системы линз на несколько параллельных лучей (рис. 30). Лазерный луч 1 с помощью системы линз 2 и расширяется и попадает на растровый объектив 4, состоящий из большого числа линз малого диаметра, каждая из них фокусирует на обрабатываемую поверхность 5 соответствующей интенсивности луч, необходимый для обработки заданного отверстия.

7.4. Гибкое автоматизированное производство Производственная система представляет собой группу станков, последовательно обрабатывающих одну заготовку. Для массового изготовления, например, автомобильных деталей применяются специализированные производственные системы, называемые автоматическими линиями. Такая линия состоит из отдельных станков (фрезерных, сверлильных, расточных), связанных между собой системой перемещения деталей от одного станка к другому. Автоматические линии позволяют удешевить массовое производство однотипных деталей.

Однако в турбиностроении преобладают серийное и единичное производства, требующие частой переналадки оборудования. Применение обычных автоматических линий в таких производствах малоэффективно.

Основу комплексной механизации здесь составляют групповая технология, станки с ЧПУ, промышленные роботы, автоматические транспортноскладирующие системы. На их базе с применением координирующих компьютеров создаются быстропереналаживаемые автоматизированные комплексы, называемые гибкими производственными системами (ГПС). При изготовлении, например, головок цилиндра дизельного двигателя ГПС способна обрабатывать головки цилиндра от 5 до 100 разных размеров и типов, причем их заготовки могут поступать в случайном порядке.

Энергетическое машиностроение, подотраслью которого является турбиностроение, нуждается в коренной реорганизации. Рыночный механизм хозяйствования требует быстрого реагирования на изменяющийся характер спроса и, следовательно, переориентировку производства. Кроме того, необходимо учитывать постоянное уменьшение притока в производство новой рабочей силы и создавать высокопроизводительные технологические комплексы оборудования, функционирующие без участия или с минимальным участием человека.

Эти проблемы можно решить на основе создания гибких производственных систем.

Гибкая производственная система (ГПС) это совокупность или отдельная единица технологического оборудования и системы обеспечения его функционирования в автоматическом режиме, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.

По организационной структуре гибкие производственные системы формируются в виде гибких производственных модулей (ГПМ), гибких автоматизированных линий (ГАЛ) и участков (ГАУ), гибких автоматизированных цехов (ГАЦ) и, наконец, заводов (ГАЗ).

Первой ступенью автоматизации гибкой производственной системы является создание гибких производственных модулей (ГПМ) и гибких производственных комплексов (ГПК).

Гибкий производственный модуль это гибкая производственная система, состоящая из единицы технологического оборудования, оснащенная автоматизированным устройством программного управления и средствами автоматизации технологического процесса, автономно функционирующая, осуществляющая многократные циклы и имеющая возможность встраивания в систему более высокого уровня.

Гибкий производственный комплекс это гибкая производственная система, состоящая из нескольких гибких производственных модулей, объединенных автоматизированными системой управления и транспортно складской системой, автономно функционирующая в течение заданного интервала времени и имеющая возможность встраивания в систему более высокой ступени автоматизации.

Второй, или высшей, ступенью автоматизации ГПС является создание гибкого автоматизированного производства (ГАП).

Гибкое автоматизированное производство представляет собой развитую автоматизированную систему, управляемую ЭВМ. ГАП включает в себя комплекс обрабатывающего оборудования, связанного автоматизированной транспортно-складской системой подачи, хранения и удаления заготовок и стружки (АТСС), автоматизированной системой инструментального обеспечения (АСИО) и системой автоматизированного контроля (САК), связанного с системой автоматизированного проектирования конструкции выпускаемых изделий (САПР), автоматизированной системой технологической подготовки производства (АСТПП), автоматизированной системой научных исследований (АСНИ) и автоматизированной системой управления производством (АСУП).

Гибкое автоматизированное производство характеризуется высокой степенью автоматизации технологических процессов обработки, обслуживания и управления и непрерывностью многономенклатурного мелкосерийного производства. ГАП делает возможным круглосуточную эксплуатацию технологического оборудования, а в некоторых случаях и без участия человека в функционировании системы.

Создание ГАП не означает осуществления производства с технологией без участия человека определенная часть персонала должна оставаться на операциях контроля и приемки, комплектования заготовок и инструмента и др. Преимуществами ГАП являются, кроме сокращения численности персонала, круглосуточность функционирования, повышение общей производительности труда, освобождение работников от тяжелых и вредных работ.

Блочно-модульное построение ГАП позволяет осуществлять типовое проектирование новых производств из унифицированных компонентов и модулей, а также серийное изготовление последних на специализированных заводах.

Особенности гибких автоматизированных производств позволяют:

при мелко- и среднесерийном производстве в короткий срок прекратить изготовление освоенной продукции и с минимальными затратами приступить к выпуску новой продукции;

осуществлять обработку на станках деталей различной конфигурации, различными партиями с минимальными затратами на переналадку;

заменять отказавший станок гибкого комплекса другим станком, не задерживая хода технологического процесса;

нарушать прямолинейность перемещения обрабатываемых заготовок внутри технологического комплекса и возвращать их для последующей обработки на те станки, на которых выполнялись первоначальные операции, что существенно сокращает общее число станков в системе и повышает коэффициент использования.

7.5. Системы контроля параметров предмета производства Как следует из определения технологического процесса, кроме воздействия инструмента, изменяющего форму, размеры, свойства заготовок, следует иметь другой инструмент, позволяющий контролировать степень этих изменений, т. е. состояние предмета производства.

Совершенствовать технологические процессы невозможно без совершенствования методов контроля полученных результатов. Измерения можно вести как в процессе изготовления, так и на готовой детали.

Устройства активного контроля. Приведение в систему требований повышения точности и производительности потребовало увеличения времени работы станка между подналадками. Для этого следует предусмотреть автоматизацию контрольных измерений обрабатываемых заготовок и самого процесса поднастройки. Это достигается применением различных устройств активного контроля.

Активный контроль и автоподналадка производятся во время работы станка без его остановки способом отсчета машинного времени или фактического пути резания либо с помощью регулярных измерений истинных размеров обрабатываемых заготовок контактными или бесконтактными измерительными устройствами.

В первом случае через определенные, заранее установленные промежутки времени автоподналадчик дает исполнительным органам станка сигнал для перемещения инструмента на определенную величину, компенсирующую влияние переменных систематических погрешностей. Эта величина зависит от средней интенсивности износа и затупления инструмента.

Конструкция систем активного контроля и автоподналадчиков довольно проста и подвижна, однако активный контроль и автоподналадку без оставки станка можно использовать только при условии высокой степени однородности размеров, свойств материалов исходных заготовок и качеств режущего инструмента (стойкости).

Во втором случае, когда момент поднастройки определяется на основе измерений действительных размеров обрабатываемых заготовок, точность обработки повышается, и метод подналадки становится более широко применимым. Система активного контроля, снабженная устройствами для точных измерений обрабатываемых поверхностей на ходу станка, конструктивно сложнее.

Обеспечение автоподналадчиков очень точным и надежным устройством для своевременной подачи сигнала и осуществления малого перемещения инструмента для поднастройки станка значительно повышает их стоимость.

В качестве активных средств контроля могут применяться системы на основе фотоэлектрических приборов.

Пассивные методы контроля. Контроль полученных результатов при временной остановке техпроцесса или после его завершения является пассивным. Существует значительное количество различных средств технического контроля и измерений. Однако важным условием улучшения качества, снижения себестоимости, повышения надежности и долговечности турбин является использование высокопроизводительных и точных систем автоматического контроля параметров.

Паровые и газовые турбины представляют собой многокорпусные машины значительных габаритов и требуют точного сопряжения всех составных узлов. Измерение пространственного положения узлов и деталей турбоустановки представляет сложную техническую задачу. В следующих разделах учебного пособия эта проблема будет подробно рассмотрена.

Здесь же укажем лишь на требования, предъявляемые к предназначенному для этих измерений устройству. Протяженность турбины может достигать 25 м и, следовательно, должна быть соответствующая по протяженности измерительная база. Соосность деталей на всей длине этой базы находится в пределах ± 0,05 мм, точность измерений должна быть не ниже 0,02 мм.

В настоящее время для измерений, связанных с центровкой деталей, используют оптические приборы, но точность и эксплуатационные характеристики их не соответствуют решаемой задаче. Более перспективным является применение измерительных оптикоэлектронных систем (ОЭС).

По сравнению с оптическими визирными и автоколлимационными методами ОЭС обладают рядом преимуществ, основными из которых являются следующие:

более высокая чувствительность;

исключение субъективных факторов, т. е. ошибок наблюдателя, из процесса измерения;

меньшая трудоемкость при работе с ними и высокая скорость получения результатов измерений, на основе чего повышается производительность;

непрерывное получение изменения контролируемой величины;

получение информации в цифровом виде или в любом другом, удобном как для регистрации, так и для использования в системах активного контроля;

– возможность частичной компенсации случайных помех с помощью электронной схемы.

В основу наиболее успешно функционирующих измерительных ОЭС положен принцип приборов управления при помощи луча (ПУЛ). ПУЛы позволяют сформировать базовую оптическую ось путем создания оптического луча с различными свойствами его частей (частота, фаза) и резкими границами между этими частями луча.

В качестве пассивных систем контроля параметров деталей турбин также используют лазерные, голографические и другие приборы.

РАЗДЕЛ 2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ

И НАПРАВЛЯЮЩИХ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ

ТУРБИН

1. ЛОПАТОЧНЫЙ АППАРАТ ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН

1.1. Назначение лопаток и условия их работы Направляющие и рабочие лопатки по своему служебному назначению являются основными деталями паровых и газовых турбин как лопаточных двигателей. В совокупности они образуют проточную часть турбины, в которой происходит преобразование тепловой энергии рабочей среды (пара, газа) в механическую работу вращающегося ротора. Совокупность направляющих и рабочих лопаток называют лопаточным аппаратом турбины.

Лопаточный аппарат является самой дорогой и наиболее сложной частью турбины. Экономичность турбины – ее КПД – зависит в первую очередь от качества выполнения лопаточного аппарата. Трудоемкость изготовления лопаток современной мощной паровой турбины достигает 42от общей трудоемкости изготовления всех ее деталей, для газовой турбины эти цифры несколько меньше 20-35 %.

Большое разнообразие конструктивных форм, размеров, способов крепления лопаток на дисках, роторах, диафрагмах или в цилиндрах вызвано различными сложными и тяжелыми условиями, в которых приходится работать лопаточному аппарату. Основные причины, создающие эти условия, следующие.

1. Растягивающие и изгибающие напряжения в лопатках Растягивающие напряжения возникают в хвостовых и профильных частях рабочих лопаток от действия центробежных сил. При расположении центров тяжести различных сечений лопаток не на радиальной линии центробежные силы вызывают и изгибающие моменты. Однако в большей степени на величину изгибающих моментов влияет действие на лопатки давления рабочего тела (пара или газа).

Величина растягивающих напряжений не зависит от нагрузки турбины и изменяется только в зависимости от массы лопаток и их окружной скорости, т. е. при данной частоте вращения центробежные силы и, следовательно, растягивающие напряжения являются величиной постоянной.

Величина изгибающих напряжений зависит от нагрузки турбины (от расхода рабочего тела), теплового перепада на ступень, окружной скорости, числа лопаток на диске или роторе и др.

Современное турбостроение характеризуется выпуском агрегатов большой мощности. При этом возрастают габариты и масса турбин и их частей. Так, например, длина рабочих лопаток цилиндров низкого давления паровых турбин достигает величины 1400-1500 мм. Лопатки также имеют большую массу и средние диаметры. В этом случае напряжения от центробежных сил и паровых изгибов достигают величины 200 МПа (т. е.

на лопатку действуют силы, достигающие нескольких тонн).

2. Разрушающие действия рабочего тела В паровых турбинах состояние пара меняется от перегретого на лопатках большей части ступеней турбины до влажного на лопатках последних ступеней. Длительное воздействие высоких температур, близких к температуре свежего пара, вызывает снижение механических свойств, появление ползучести металла лопаток и требует применения жаропрочных и жаростойких сталей. Работа лопаток ступеней низкого давления в среде движущегося влажного пара приводит к эрозии и к поверхностным разрушениям металла лопаток.

Лопатки газовых турбин работают при еще больших температурах нагрева и в агрессивной среде сгорания топлива. Газовый поток оказывает не только химическое, но и механическое воздействие на лопатки, вызывая поверхностные коррозионные и эрозионные разрушения.

3. Действия вибраций Вибрации являются следствием периодического воздействия на рабочие лопатки возмущающих сил. Эти силы возникают прежде всего от пульсирующего давления на лопатки рабочей среды. Кроме этого, вибрации являются следствием неудовлетворительной динамической балансировки роторов, неравномерности проходных сечений каналов диафрагм, отклонений в шаге лопаток, неправильностей половин диафрагм в горизонтальных разъемах, неточной установки лопаток, срабатывания выходных кромок направляющих (сопловых) лопаток и др.

Причинами вибрации лопаток могут быть также неудовлетворительные условия эксплуатации. Например, при изменении частоты напряжения в сети изменяется число оборотов турбоагрегата, работающего на эту сеть, и ухудшаются вибрационные характеристики облопачивания. Величины амплитуд вибрации при изменении частоты вращения валопровода могут возрасти, и отдельные ступени турбины могут попасть в резонанс, так как настройка лопаток обычно производится с учетом возможности снижения частоты в сети не менее 49,5 Гц и повышения не более 50,5 Гц. Изменение частоты более указанных пределов недопустимо, так как неоднократное повторение даже непродолжительных промежутков времени работы с неверной частотой может привести к поломкам лопаток при напряжениях, значительно меньших предела текучести их материала.

Указанные условия работы требуют серьезного подхода к вопросам конструирования лопаток, выбору материалов для них и организации их производства. Особо тщательно следует выполнять все размеры, образующие формы лопаток, и соблюдать установленные для их изготовления технические требования. Отклонения от чертежей могут вызывать в лопатках дополнительные напряжения, не предусмотренные расчетами, что, в свою очередь, может привести к аварии турбин.

Анализ причин типичных аварий лопаточных аппаратов, имеющих место на первых машинах, изучение условий, в которых работают лопатки, а также предложений технологов, возникавших в процессе освоения производства в части технологических свойств выбираемых материалов обусловили следующие требования к материалам рабочих и направляющих лопаток турбин:

высокая жаропрочность, т. е. сохранение высоких показателей прочности при высокой рабочей температуре;

высокая пластичность, необходимая для равномерного распределения напряжений по всей площади поперечного сечения лопатки;

хорошая сопротивляемость местным перенапряжениям;

высокая усталостная прочность (выносливость);

высокий декремент затухания7;

стабильность структуры, обеспечивающая неизменность механических свойств во время эксплуатации турбины;

сопротивляемость коррозии под действием перегретого и влажного пара, а также кислорода воздуха; высокая сопротивляемость окислению и окалинообразованию при высоких температурах в газовых высокая сопротивляемость эрозии и кавитации;

благоприятные технологические свойства, позволяющие применить более рациональные методы обработки лопаток (в первую очередь – обработку резанием) и обеспечивающие точное выполнение размеров профиля и высокую чистоту обработки. Металл для лопаток должен хорошо коваться, штамповаться, расклепываться без появления трещин, хорошо гнуться и вальцеваться в холодном состоянии. В случае сварных конструкций от металла лопаток требуется хорошая свариваемость.

Отечественные турбиностроительные заводы применяют для изготовления лопаток высоколегированные стали и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные из номенклатуры по ГОСТ 5632-72 следующих классов и марок, указанных в табл.2.

Декремент затухания определяет скорость затухания вынужденных колебаний лопаток, вызванных возмущающей силой, и зависит от действия сил внутреннего трерния. Уменьшение напряжения в лопатках обратно пропорционально декременту затухания; высокий декремент затухания ведет к значительному уменьшению колебаний лопаток к моменту следующего воздействия возмущающей силы.

Как следует из табл. 2, из всей номенклатуры сталей и сплавов по ГОСТ 5632-72, состоящей из 127 позиций, турбинные заводы используют только 9, что является весьма положительным фактором. Многомарочность затрудняет вопросы управления производством, работы термического цеха и отдела снабжения. Одновременно с этим многомарочность приводит зачастую к накоплению на складах отдела снабжения большого количества неиспользованных материалов.

Из номенклатуры сталей и сплавов, приведенной в табл. 1, применяются в основном стали 12Х13 и 20Х13. Эти стали хорошо работают в области температур до 475 0 C. Заметное снижение прочности начинается лишь с 500 0 C.

Номер Марка сталей и сплавов Температура Результаты на При температурах до 540 0 C используется сталь 15Х11МФ, а в пределах 560-580 0 C 15Х12ВНМФ. Высокая пластичность таких сталей обеспечивает незначительную чувствительность их к концентрации напряжений.

Для лопаток сварных диафрагм используется сталь ферритного класса 08Х13, которая не подкаливается при сварке.

При более высоких температурах применяются стали аустенитного класса с высоким содержанием марганца и никеля.

Проверенными в работе при температурах 580-650 0 C являются сталь 09Х14Н19В2БР и сплав ХН35ВТ. Они пригодны для длительной работы (до 100000 ч) при температуре 650 0 C. Основными недостатками аустенитных сталей и сплавов (табл. 2) в лопаточном производстве являются плохая обрабатываемость резанием и высокая стоимость заготовок. Поэтому при выборе сталей для лопаток надо стремиться найти подходящий материал среди более дешевых хромистых сталей, и только после этого можно начинать выбор среди аустенитных сталей (хромоникелевых).

Для лопаток, работающих при температурах 650-800 0 C, используются сплавы на никелевой основе (табл. 2).

Свойства некоторых сталей, соответствующие предъявляемым требованиям к материалу заготовок лопаточного аппарата, приведены в табл. 3.

Повышение мощности турбин повлекло за собой увеличение длины лопаток последних ступеней свыше 1000 мм и в связи с этим потребовало изыскания металлов прочнее, чем нержавеющие стали, так как прочностные возможности последних используются в лопатках длиной до 1000 мм.

Более подходящим для длинных лопаток металлом является титан и, в частности, его сплавы с алюминием: при высоких механических свойствах титановых сплавов плотность их составляет всего лишь 4,4 г/см3, т. е.

меньше, чем у сталей в 1,8 раза. И при этом они не уступают сталям по прочности. Коррозионная стойкость титановых сплавов очень велика и приближается к свойствам благородных металлов. Сопротивление эрозии у титановых сплавов выше, чем у нержавеющих сталей, но ниже, чем у стеллита, поэтому защита лопаток от эрозивного разрушения все-таки необходима.

Декремент затухания этих сплавов ниже, чем у нержавеющих сталей.

Изготовление заготовок и механическая обработка их также сложнее, чем нержавеющих сталей. Как горячая, так и холодная обработка требует применения специальных режимов.

Турбостроителями накоплен значительный опыт применения титановых сплавов для лопаток турбин. Определена путем длительных испытаний опытных образцов наиболее удовлетворительная марка сплава.