Мингажев А.Д., Кутлуев В.М., Узбеков Д.Р.
ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА В СКРЕЩЕННЫХ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ *
Аннотация:
рассмотрена технология электролитно-плазменного полирования (ЭПП) деталей турбомашин в скрещенных электрических и магнитных полях (СЭМП), позволяющая повысить качество обработки поверхности деталей из титанового сплава. Представлены результаты исследований изменения состояния магнитных полей при двухстороннем воздействии на ферромагнитные и неферромагнитные сплавы, а также схематические модели полирования при традиционном ЭПП и ЭПП СЭМП, а также результаты экспериментальных исследований сравниваемых методов обработки титаноых деталей. Показано, что при технологии ЭПП СЭМП повышается качество и производительность обработки деталей, а также экологичность процесса в результате возможности использования электролитов с более низкой концентрацией солей.
Ключевые слова:
титановый сплав, плазменная обработка, парогазовая оболочка, двухстороннее поле, шероховатость, перо лопатки, электролит
ВведениеОтветственные детали машин, аппаратов и турбомашин, например такие как рабочие лопатки компрессоров, обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей, часто недопустимы, поскольку вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения.Лопатки компрессоров ГТД отличаются сложной конфигурацией, повышенными требованиями к прочностным характеристикам, особенно в условиях действия знакопеременных нагрузок. В этой связи возникают задачи изыскания возможностей их обработки, обеспечивающей оптимальную однородность материала поверхностного слоя.В последние годы, обработка лопаток, основанная на методе ЭПП получило достаточно широкое распространение в современном машиностроении, однако в ряде случаев остаются проблемы технологического плана, особенно при обработке лопаток сложной конфигурации и больших размеров.Постановка задачиНа завершающих операциях обработки поверхности лопаток ГТД окончательно формируются их качество и надежность. На этих операциях производится доводка профиля пера лопаток до заданных размеров, происходит формирование профиля кромок и окончательное состояние материала поверхностного слоя [1,2]. Ответственность финишных операций при изготовлении лопаток ГТД, требует особого подхода и такая операция как полирование часто выполняются вручную, с использованием полировальных кругов на войлочной основе, накатанными абразивными шлифпорошками и микрошлифпорошками различной зернистости. Высокие требования, предъявляемые к качеству поверхности (Ra ? 0,32…. 0,16 мкм) и точности геометрических форм (до 0,04 мм) [3] ручная обработка лопаток требует высокой квалификации рабочего и к тому же является чрезвычайно трудоемким процессом. Ручное полирование лопаток обладает существенными недостатками, которые часто сказываются на эксплуатационных характеристиках лопаток ГТД. Обработка полировальными кругами приводит к появлению таких дефектов, как риски, царапины и т.п., а также подобные дефекты, скрытые полированием и образовавшиеся на предыдущих операциях в результате нарушения технологии или оставленные режущим инструментом, а также следы шаржирования поверхности абразивными зернами. К тому же ручная полировка при обработке кромок часто приводит к эффекту «огранки» в процесс формирования округлой формы кромок. Приведенные дефекты ручной обработки достаточно сложно выявить при контроле лопаток, а на стадии эксплуатации, являясь концентраторами напряжений могут вызвать преждевременное разрушение лопаток.Наиболее перспективными методами обработки лопаток турбомашин являются электрохимические методы полирования поверхностей [4], при этом наибольший интерес для рассматриваемой области представляют методы ЭПП [5]. При этом, как показывает практика последних лет, использование технологий полирования, основанных на методе ЭПП, как в виде самостоятельной технологии, так и в дополнении к ручному механическому полированию, достаточно часто позволяет успешно решать указанные проблемы.Однако применяемые для обработки деталей сложной формы технологии ЭПП, часто не позволяют получать однородную обработку всей поверхности из-за неравномерности толщины парогазовой оболочки (рис. 1) [5].Рис. 1. Изменение толщины ПГО от действия гидростатической силы (1 - рабочая емкость, 2 –электролит, 3 – ПГО, 4 – обрабатываемая деталь, L – текущее значение толщины ПГО)В этой связи развитие способов получения высококачественных поверхностей деталей турбомашин, основанных на дальнейшем совершенствовании технологии ЭПП является весьма актуальной задачей.Магнитные поля при двухстороннем воздействии на ферромагнитные и неферромагнитные сплавыРяд исследований в области электрохимического полирования показало, что таким фактором может служить магнитное поле [6]. Магнитное поле в процессе электрополирования обеспечивает обрабатываемой поверхности улучшенные характеристики, такие как, шероховатость, гидрофильность, коррозионную стойкость и др. [7].Однако, процесс ЭПП протекает в условиях, отличных от традиционных процессов электрохимического полирования и характеризуется такими явлениями как плазменное травление и микро электроэрозионное воздействие [5]. Воздействие магнитного поля на плазму достаточно широко изучено и используется в различных технологиях обработки и нанесения покрытий, например, при магнетронном напылении [8].Поскольку в отличии от других электрохимических процессов, при ЭПП возникает парогазовая оболочка (ПГО), в которой в результате воздействия электрического поля возникает плазма, то, исходя из опыта управления плазменными процессами наложением на область обработки магнитного поля, то этот подход с большой вероятностью можно применять и в методе электролитно-плазменной обработки деталей.Для оценки воздействия магнитного поля на образцы из магнитных и немагнитных сплавов были проведены следующие исследования. Между двумя расположенными параллельно друг другу протяженными постоянными магнитами образовывали зазор, который при помощи наложенного листа бумаги со стальными опилками позволял определять направление силовых линий магнитов (рис.1).Рис. 2. Характер распределения силовых линий магнитного поля при симметричном (a, c, e) и ассиметричном (b,d,e) расположении магнитов при: a,b – свободном взаимодействии магнитов, c,d – при взаимодействии магнитов через ферромагнитный сплав, e,f – при взаимодействии магнитов через неферромагнитный сплав.За базовый вариант расположения магнитов был выбран вариант с ассиметричным расположением магнитов (рис.2 f и рис.3).ЭПП в скрещенных магнитных и электрических поляхСущность способа ЭПП с наложением магнитного поля [9] заключается в следующем. Обрабатываемую деталь (рис. ) погружают в ванну с водным раствором электролита, помещают в полость устройства, обеспечивающего равномерное магнитное поле по всей обрабатываемой поверхности изделия, прикладывают к изделию положительное напряжение, а к электролиту - отрицательное (анодная обработка) или прикладывают к изделию отрицательное - напряжение, а к электролиту - положительное (катодная обработка), в результате чего достигают возникновения вокруг детали парогазовой оболочки и разряда между обрабатываемым изделием и электролитом. В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию электролита. Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки и равномерного магнитного поля.Под действием электрического потенциала между деталью и электролитом в ПГО возникает разряд, представляющий из себя ионизированную электролитическую плазму, обеспечивающую протекание интенсивных химических и электрохимических реакций между обрабатываемой деталью и средой парогазовой оболочки. Наличие постоянного магнитного поля позволяет стабилизировать процессы обработки и повысить концентрацию ионов в парогазовой оболочке, что приводит также к повышению производительности процесса обработки.Рис.3. Схема ЭПП в СЭМП (1 - рабочая емкость, 2 –электролит, 3 – ПГО, 4 – обрабатываемая деталь, 5 – магнит, L – текущее значение толщины ПГО).С целью визуализации воздействия магнитного поля при ЭПП, были проведены следующие исследования. Лопатка из титанового сплава с расположенным относительно обрабатываемой поверхностью пера магнитом, размещалась в ванне с электролитом (рис. 4).Рис.4. Испытуемый образец-лопатка ГТД из титанового сплава (а – исходный образец, b – схема обработки лопатки, с – лопатка, обработанная с наложением внешнего магнитного поля. 1 – лопатка, 2 – магнит, 3 – зона обработанная ЭПП вне действия магнитного поля, 4 – зона обработанная ЭПП под действием магнитного поля)Проведенный эксперимент с ЭПП при одностороннем наложении внешнего магнитного поля, показал, что область пера лопатки, подвергнутая наложению магнитного поля обработалась более качественно, до зеркального блеска по сравнению с областями пера лопатки, ЭПП которых происходило без интенсивного воздействия магнитного поля (рис.4 с, рис. 5).Рис.5. Поверхность спинки пера лопатки после ЭПП (а – область без наложения магнитного поля, b – область, обработанная с наложением магнитного поля).Проведенные сравнительные эксперименты по обработке титановых образцов методами ЭПП и ЭПП СЭМП показал, что в случае применения технологии ЭПП СЭМП обеспечивается более высокое качество полирования поверхности детали, повышает интенсивность обработки (приблизительно в 1,3 -1,4 раза) и снижает концентрацию применяемого электролита.ВыводыРучное полирование лопаток обладает существенными недостатками, которые часто сказываются на эксплуатационных характеристиках лопаток ГТД, что требует разработки новых процессов их полирования.При использовании технологий, основанных на методе ЭПП, в результате интенсивного пленочного кипения и действия Архимедовой силы, на различных участках обрабатываемой поверхности детали наблюдается колебание толщины ПГО, приводящие к неоднородности обработки детали.Использование технологии, основанной на методе ЭПП в СЭМП позволяет повысить качество обработки лопаток из титанового сплава.
Номер журнала Вестник науки №6 (75) том 3
Ссылка для цитирования:
Мингажев А.Д., Кутлуев В.М., Узбеков Д.Р. ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА В СКРЕЩЕННЫХ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ // Вестник науки №6 (75) том 3. С. 1555 - 1564. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/16100 (дата обращения: 16.05.2025 г.)
Вестник науки © 2024. 16+