Введение к работе
Актуальность темы. Одним из путей повышения эффективности ГТД является совершенствование конструкций радиальных уплотнений газовоздушного тракта, позволяющих сократить утечки рабочей среды между разделяемыми полостями. К наиболее перспективным видам уплотнений относятся щёточные и пальчиковые, конструктивно представляющие собой круговой массив большого количества (порядка 10 ...10 ) близкорасположенных малоразмерных (с характерными размерами и шагом расположения порядка 0,1...1 мм) уплот-нительных элементов - щетинок и пальчиков.
Щёточные и пальчиковые уплотнения новых конструкций должны иметь сложную продольную и поперечную форму уплотнительных элементов для обеспечения повышенных упругих, герметизирующих и других свойств, а к их поверхностям должны предъявляться особые требования по коррозионной и износостойкости. Традиционно используемые методы (навивка проволоки на оправку с последующей фиксацией, разрезкой и сваркой - для щёточных уплотнений; фотохимическая или лазерная обработка - для пальчиковых) имеют существенные технологические ограничения в плане удовлетворения указанных конструкторских идей, приводят к появлению поверхностного термически изменённого слоя и заусенцев, требующих последующего удаления, не всегда обеспечивают требуемую точность или экологически не безопасны.
Для обоих указанных видов уплотнений наиболее рациональным решением является применение импульсной электрохимической обработки (ЭХО) по схеме с вибрацией электрода-инструмента (ЭИ). С технологической точки зрения обработка как щёточных, так и пальчиковых уплотнений заключается в одновременном прецизионном формировании большого количества малоразмерных уплотнительных элементов в сплошной монолитной заготовке при помощи маложёсткого ЭИ, что позволяет рассматривать их обработку совместно.
Для операции импульсной ЭХО массива уплотнительных элементов необходимо иметь высокотехнологичную конструкцию ЭИ в виде тонкой неизолированной перфорированной пластины (далее - ЭИ-ТНПП) с отверстиями различных форм и размеров между которыми имеются тонкие перемычки. Следует отметить, что описание технологической схемы данным ЭИ очень мало освещено в научно-технической литературе. Это не позволяет в полной мере использовать технологические преимущества метода импульсной ЭХО при изготовлении перспективных уплотнений.
Совершенствование технологии импульсной ЭХО массивов малоразмерных элементов сложной формы в заготовках из жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов позволяет создавать новые перспективные конструкции уплотнений газовоздушного тракта, которые ранее не могли быть технологически реализованы. Таким образом, тема работы является новой и актуальной.
Актуальность темы подтверждается включением её в план Федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» по разделу мероприятий «Разработка новых технологий создания высокотемпературных покрытий и высокоэффективных уплотнений газовоздушного тракта, а также технологии создания зуб-
чатых колёс». Работа выполнялась в соответствии с планами НИР, по государственным контрактам и хозяйственным договорам ООО «УК «ОДК», ФГУП «ММПП «Салют», ОАО «УМПО», УГАТУ и 000 «ЕСМ» в период 2007-2009г.
Цель работы. Разработка технологии изготовления перспективных щёточных и пальчиковых уплотнений радиальных зазоров газовоздушного тракта ГТД методом импульсной электрохимической обработки с применением вибрирующего электрода-инструмента в виде тонкой неизолированной перфорированной пластины.
Для достижения данной цели следует решить следующие задачи:
Разработать феноменологическую и математическую модели импульсной ЭХО массива малоразмерных уплотнительных элементов (ММУЭ) с применением ЭИ-ТНПП, учитывающие основные физико-химические и технологические особенности данной схемы обработки.
Подобрать наиболее рациональные составы электролитов и исследовать зависимости основных выходных технологических показателей импульсной ЭХО от параметров режима для типовых материалов, широко используемых в ГТД для рабочих температур до 700 С.
Разработать новые способы изготовления перспективных уплотнений методом импульсной биполярной ЭХО с обеспечением заданной формы продольного сечения малоразмерных уплотнительных элементов и заданного содержания хрома в их поверхностном слое.
Разработать алгоритмы расчёта выходных технологических показателей и оптимизации параметров режима импульсной ЭХО перспективных уплотнений.
Совместно с ведущими российскими НИИ и конструкторскими бюро по авиадвигателестроению отработать на технологичность в отношении импульсной ЭХО новые конструкции щёточных и пальчиковых уплотнений.
Сформулировать технические требования к специальному электрохимическому оборудованию для изготовления перспективных уплотнений, апробировать полученные технические решения и результаты исследований в производственной практике при изготовлении натурных образцов щёточных и пальчиковых уплотнений и в учебном процессе УГАТУ.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием основных положений теоретической электрохимии, теории упругого деформирования, методов численного моделирования и аппарата дифференциального исчисления. Экспериментальные исследования по импульсной ЭХО проводились на станках моделей РЕМ-1360 и ЕТ-500. При проведении исследований использовалась современная регистрирующая аппаратура: инвертированный оптический микроскоп с цифровой фотокамерой высокого разрешения модели Olympus GX-51 для оптического исследования поверхности и определения размеров уплотнительных элементов; сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) NTegra для атомно-силового измерения геометрических параметров микрорельефа поверхности; энергодисперсионная приставка INCA Energy 350 к растровому электронному микроскопу JSM-840 для микрорентге-носпектрального анализа поверхностного слоя; двулучевой электронный цифровой осциллограф Infinium для осциллографирования параметров импульсов
тока. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с использованием методов теории вероятностей и математической статистики. Положения, выносимые на защиту:
Феноменологическая и математическая модели импульсной ЭХО ММУЭ с использованием вибрирующего ЭИ-ТНПП.
Результаты экспериментальных исследований зависимости производительности, энергоёмкости, погрешности процесса импульсной ЭХО, шероховатости и химического состава поверхностного слоя от основных параметров режима (напряжения, скорости подачи ЭИ, длительности импульсов тока) для сталей 10Х11Н23ТЗМР, 12Х18Н9Т и 30X13.
Новые конструктивные решения и способы изготовления щёточных и пальчиковых уплотнений газовоздушного тракта.
Алгоритмы расчёта выходных технологических показателей и оптимизации параметров режима импульсной ЭХО по критерию минимального времени обработки при ограничениях по среднеквадратичному отклонению поперечных размеров уплотнительных элементов в пределах массива и параметрам шероховатости поверхности в их прикомлевой части.
Рекомендации по выбору оптимальных режимов, технологических схем и проектированию технологического оснащения для импульсной ЭХО (механической части станков, источников питания, систем управления процессом).
Научная новизна работы определяется разработкой новых научно-обоснованных технологических и технических решений, обеспечивающих создание новой технологии изготовления перспективных щёточных и пальчиковых уплотнений газовоздушного тракта ГТД методом импульсной ЭХО. Основные пункты научной новизны:
Разработаны феноменологическая и математическая модели импульсной ЭХО большого количества близкорасположенных малоразмерных уплотни-тельных элементов (с плотностью расположения до 500 шт. на 1 см ), которые, в отличие от известных, комплексно учитывают омическое сопротивление ЭИ-ТНПП, физико-химические процессы (газонаполнение и нагрев) в межэлектродном промежутке (МЭП), соизмеримость характерных поперечных размеров уплотнительных элементов с размерами боковых и торцевых межэлектродных зазоров (МЭЗ) и деформации ЭИ-ТНПП, вызванные действием гидродинамических сил во время цикла осцилляции рабочего органа станка.
На основе математического моделирования и последующей верификации впервые установлена взаимосвязь параметров режима и геометрических характеристик ЭИ-ТНПП, позволяющая определить критическую размерность ММУЭ, при которой для всех вырезаемых уплотнительных элементов будет достигаться напряжение, достаточное для протеканий анодных электрохимических реакций.
Впервые поставлена и решена задача оптимизации параметров режима импульсной ЭХО ММУЭ по критерию минимального времени обработки при заданных ограничениях по среднеквадратичному отклонению поперечных размеров уплотнительных элементов в пределах массива и параметрам шероховатости поверхности в их прикомлевой части.
4. Разработана методика косвенного определения параметров шероховатости по длине образующей уплотнительных элементов, которая, в отличие от известных, основана на суперпозиции расчётных зависимостей изменения плотности тока по длине образующей уплотнительного элемента и экспериментальных зависимостей показателей шероховатости от плотности тока.
Практическая ценность работы. В результате проведённых исследований разработана совокупность технических и технологических решений в области технологии изготовления перспективных уплотнений газовоздушного тракта ГТД. Проведённый комплекс исследований позволяет ускорить итерационный процесс создания серийных уплотнений новых конструкций. Практическая ценность работы заключена в следующем:
Предложены новые конструктивные решения по пальчиковым и щёточным уплотнениям (поданы 3 заявки на изобретения РФ, по одной из которых получено решение на выдачу патента), которые учитывают технологические преимущества процесса импульсной ЭХО.
Предложены новые способы (поданы 2 заявки на изобретения РФ) изготовления щёточных уплотнений.
Разработано программное обеспечение для САПР, позволяющее с удовлетворительной для практики точностью назначать оптимальные режимы импульсной ЭХО перспективных уплотнений, прогнозировать размеры уплотнительных элементов и параметры шероховатости их поверхности.
Создано и апробировано технологическое оснащение при изготовлении натурных образцов пальчиковых и щёточных уплотнений.
Практическая реализация работы.
Результаты диссертационной работы использованы в ООО «УК «ОДК» (г. Москва), в ФГУП «ММПП «Салют» (г. Москва), ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» (г. Москва) и на ОАО «УМПО» (г. Уфа) при выполнении раздела «Разработка новых технологий создания высокотемпературных покрытий и высокоэффективных уплотнений газовоздушного тракта, а также технологии создания зубчатых колёс» Федеральной целевой программы и при проектировании новых конструкций пальчиковых и щёточных уплотнений.
Технические требования использованы при создании современного специального электрохимического станка (модели 4420Ф11М) для изготовления перспективных уплотнений.
Материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе ГОУ ВПО УГАТУ в виде методических указаний к лабораторным работам.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной молодёжной НТК «Молодёжь в авиации: новые решения и передовые технологии» (Украина, г. Алушта, ОАО «Мотор Сич», 2007 г.), IV-ой НПК молодых учёных и молодых специалистов авиационно-космической промышленности (г. Москва, Компания «Сухой», МАИ, 2007 г.), ежегодных Всероссийских НТК молодых специалистов (г. Уфа, ОАО «УМПО», 2007-2008 г.), Всероссийских молодёжных НТК «Мавлютов-ские чтения» (г. Уфа, УГАТУ, 2007-2008 г.), Международной НТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, СГАУ, 2009 г.), на ка-
федре производства двигателей летательных аппаратов ГОУ ВПО СГАУ (г. Самара, 2009 г.), периодически на научно-технических совещаниях в ООО «УК «ОДК» и научно-технических семинарах НИИ ПТТ ЭХО при УГАТУ.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 8-ми печатных работах, в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Объём публикаций 3,1 п.л.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 206 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 90 наименований, содержит 114 рисунков и 23 таблицы.
