Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СУХОГО ЛОКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПОЛИРОВАНИЯ ЛОПАТОК БЛИСКА И РАБОЧИЙ КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к технологии электрополирования деталей сложной формы и может быть использовано в турбомашиностроении при обработке лопаток 6 лиска компрессоров газотурбинных двигателей, для обеспечения необходимых физико-механических и эксплуатационных свойств деталей турбомашин, а также в качестве подготовительной операции перед ионно-имплантационным модифицированием поверхности детали и нанесением защитных ионно-плазменных покрытий.

Рабочие лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД)в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются титановые сплавы, которые по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

Однако лопатки турбин обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей, недопустимы, поскольку вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения. Это вызывает проблемы при механической обработке поверхностей деталей турбомашин. В этой связи развитие способов получения высококачественных поверхностей деталей турбомашин является весьма актуальной задачей.

Наиболее перспективными методами обработки лопаток турбомашин являются электрохимические методы полирования поверхностей [Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование: Теория и практика. Влияние на свойства металлов. Л., Машиностроение, 1987.], при этом наибольший интерес для рассматриваемой области представляют методы электролитно-плазменного полирования (ЭПП) деталей [например, Патент ГДР (DD) №238074 (А1), МПК C25F 3/16, опубл. 06.08.86., а также Патент РБ №1132, МПК C25F 3/16, 1996, БИ №3].

Известен способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ №1132, МПК C25F 3/16, 1996, БИ №3], а также способ электрохимического полирования [Патент США №5028304, МПК В23Н 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.91.]

Известные способы электрохимического полирования не позволяют производить качественное полирование поверхности лопаток блисков.

Известен также способ электролитно-плазменного полирования деталей из титановых сплавов [Патент РФ №2373306, МПК C25F 3/16. Способ многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий из титана и титановых сплавов. Бюл. №32, 2009], включающий погружение детали в электролит, содержащий окислитель, фторсодержащее соединение и воду, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала.

Однако известный способ [Патент РФ №2373306, МПК C25F 3/16] является многостадийным, что приводит с одной стороны к возрастанию сложности процесса обработки деталей, снижению качества и надежности процесса обработки из-за необходимости обеспечения большего количества параметров процесса и их соотношений, а также к повышению его трудоемкости.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ ионного полирования металлической детали, заключающийся в заполнении электропроводящими гранулами рабочий контейнер установки, выполненный их электропроводного материала, закрепление детали на держателе, погружении детали в электропроводящие гранулы, заполняющие контейнер, подключении детали к аноду, а контейнера к катоду. [WO 2017186992 - |Method for smoothing and polishing metals via ion transport by means of free solid bodies, and solid bodies for carrying out said method. Опубл. 2017.11.02].

Однако известный способ [WO 2017186992] не позволяет обеспечить высокое качество поверхности детали за счет неравномерности взаимодействия гранул с обрабатываемой поверхностью лопаток блиска.

Кроме того, способ-прототип [WO 2017186992] не может быть применен к обработке блисков, имеющих большие размеры, поскольку при обработке изделий, имеющих значительную площадь поверхности выделяется чрезмерное количество тепла, что делает процесс нестабильным и приводит к возникновению дефектов на поверхности лопаток блиска. При этом обработка крупных изделий, к которым относятся блиски компрессора ГТД, требуется значительное количество электроэнергии и при реализации процесса полирования в этих условиях резко снижается к.п.д. обработки.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является рабочий контейнер для электрополирования лопаток блиска включающий рабочий контейнер, выполненный из электропроводного материала [WO 2017186992 - |Methodforsmoothingandpolishingmetalsviaiontransportbymeansoffreesolidbodies, andsolidbodiesforcarryingoutsaidmethod. Опубл. 2017.11.02].

Однако это устройство [WO 2017186992] не может быть применено к обработке лопаток блисков, имеющих большие размеры, поскольку при обработке изделий, имеющих значительную площадь поверхности выделяется чрезмерное количество тепла, что делает процесс нестабильным и приводит к возникновению дефектов на поверхности лопаток. Кроме того, обработка крупных изделий, к которым относятся блиски компрессора ГТД, требуется значительное количество электроэнергии и при реализации процесса полирования в этих условиях резко снижается к.п.д. обработки.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности процесса полирования лопаток блисков, а также качества и однородности обработки их поверхностиза счет обеспечения равномерного взаимодействия гранул с обрабатываемой поверхностью лопатки и уменьшения ее одновременно обрабатываемой площади

Техническим результатом предлагаемого изобретения повышение надежности процесса полирования лопаток блисков, а также качества и однородности обработки их поверхности.

Технический результат достигается за счет того, что в способе сухого локального электрополирования лопаток блиска, включающем закрепление блиска на держателе, погружении лопаток блиска в электропроводящие гранулы, заполняющие рабочий контейнер, подключении блиска к аноду, а электропроводящих гранул к катоду и полирование до получения заданной шероховатости поверхности лопаток блиска в отличие от прототипа в качестве рабочего контейнера используют эластичный чехол из электроизоляционного материала с расположенным внутри его, по крайней мере одним электродом, одевают упомянутый эластичный чехол, по крайней мере на одну обрабатываемую лопатку блиска, заполняют эластичный чехол электропроводящими гранулами, расширяя его в пределах межлопаточного пространства между обрабатываемой лопаткой блиска и двумя соседними, с обеих ее сторон, лопатками блиска, обеспечивают контакт всей полируемой поверхности обрабатываемой лопатки блиска с электропроводящими гранулами, приводят электропроводящие гранулы в вибрационное движение и возвратно-поступательном движение в направлении вдоль спинки и корыта лопатки, обеспечивающее равномерное омывание электропроводящими гранулами спинки и корыта лопатки, подают на блиск положительный, а на электропроводящие гранулы через электрод эластичного чехла отрицательный электрический потенциал и ведут обработку до получения заданной шероховатости поверхности лопатки блиска, затем удаляют гранулы из упомянутого эластичного чехла, снимают эластичный чехол с обработанной лопатки, одевают его на следующую лопатку блиска и повторяют указанный цикл до полной обработки всех лопаток блиска.

Кроме того возможны следующие приемы способа: используют эластичный чехол с питателем, заполненным электропроводящими гранулами и образующим с эластичным чехлом единый объем, а заполнение эластичного чехла электропроводящими гранулами, производят за счет уменьшения объема питателя сжатием последнего; электропроводящие гранулы приводят в вибрационное движение за счет вибрации упомянутого эластичного чехла, а возвратно-поступательное движение электропроводящих гранул в направлении вдоль спинки и корыта лопатки обеспечивают либо относительным перемещением блиска и эластичного чехла, либо сжатием и разжатием питателя; в качестве гранул используют, электропроводящие гранулы сферические частицы диаметром от 0,4 до 1,2 мм, либо овальные частицы размерами от 0,3 до 1,4 мм; используют пористые гранулы из материала, обеспечивающего заполнение пор электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы; в качестве материала гранул используют сульфированный сополимер стирол-дивинилбензола; полирование осуществляют в среде аргона, а в качестве блиска используют блиск турбины из титанового сплава, а в качестве электролита используют водный раствор смеси NH4F и KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л.

Технический результат достигается за счет того, что рабочий контейнер для электрополирования лопаток блиска выполненный из неэлектропроводного материала и содержащий во внутреннем рабочем объеме по крайней мере один электрод, подключенный к катоду в отличие от прототипа контейнер выполнен из эластичного материала в виде чехла, размерами и формой, обеспечивающего охват с рабочим зазором всей обрабатываемой поверхности лопатки блиска и его размещения в межлопаточном пространстве между двумя соседними от обрабатываемой лопатки лопатками, а также снабженный питателем с электропроводящими гранулами, позволяющим при сокращении его объема транспортировать электропроводящие гранулы в рабочий объем упомянутого чехла.

Кроме того возможны следующие дополнительный элемент рабочего контейнера: эластичные стенки чехла выполнены с зигзагообразными изгибами, образующими карманы, внутри которых размещены пружинные электроды, причем карманы обеспечивают закрытие электродов при свободном положении стенок чехла и их раскрытие при растяжении стенок чехла за счет распрямления гофров; питатель с электропроводящими гранулами выполнен с гофрированными стенками, обеспечивающими изменение объема питателя при их растяжении или сжатии; рабочий контейнер снабжен эластичным уплотнительным элементом, обеспечивающим герметизацию его полости на границе его контакта с поверхностью обрабатываемого блиска, а также снабжен вибратором, и устройством для возвратно-поступательного перемещения рабочего контейнера.

Сущность заявляемого способа, возможность его осуществления и использования иллюстрируются представленными ниже примерами.

Изобретение поясняется следующей схемой. На фиг. 1-5 показан процесс электрополирования лопатки блиска и устройство эластичного чехла (рабочего контейнера). На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 представлен фрагмент блиска с эластичным чехлом при его одевании на обрабатываемую лопатку блиска (фиг. 1а, фиг. 2а и фиг. 3а) и при расширении эластичного чехла при заполнении его электропроводящими гранулами (фиг. 1b, фиг. 2b и фиг. 3). На фиг. 4 показан процесс заполнения эластичного чехла электропроводящими гранулами. На фиг. 5 показана стенка эластичного чехла с гибкими электродами содержат: 1 - блиск; 2 - лопатка блиска; 3 - обрабатываемая (текущая) лопатка блиска; 4 - рабочий контейнер (эластичный чехол); 5 - электропроводящие гранулы; 6 -электрод; 7 - питатель; 8 - карманы. (Двойными стрелками показановозвратно-поступательное движение электропроводящих гранул; одинарными стрелками - направление движения электропроводящих гранул из питателя в чехол.

Заявляемый способ электрополирования лопаток блиска осуществляется следующим образом (фиг. 1 и 2).

В качестве рабочего контейнера используют эластичный чехол 4 из электроизоляционного материала с расположенными внутри, по крайней мере одним электродом 6. Эластичный чехол 4 одевают на обрабатываемую лопатку 3 блиска 1 (фиг. 1а, фиг. 2а и фиг. 3а), заполняют эластичный чехол 4 электропроводящими гранулами 5, расширяя эластичный чехол 4 в пределах межлопаточного пространства между обрабатываемой лопаткой 3 блиска 1 и двумя соседними с обеих ее сторон лопатками 2 блиска 1 (фиг. 1b, фиг. 2b и фиг. 3b). (При необходимости можно аналогично одевать эластичный чехол 4 на большее количество лопаток). При заполнении эластичного чехла 4 электропроводящими гранулами 5 (фиг. 4) необходимо обеспечивать полный охват ими полируемой поверхности обрабатываемой лопатки 3 блиска 1. Заполнение эластичного чехла 4 электропроводящими гранулами 5 можно производить, например, с использованием питателя 7, позволяющим при сокращении его объема транспортировать электропроводящие гранулы 5 в рабочий объем эластичного чехла 4 (фиг. 4). После заполнения эластичного чехла 4 электропроводящими гранулами 5 гранулы, одним из известных способов, например при помощи вибратора, приводят в вибрационное движение. Одновременно гранулам придают возвратно-поступательном движение в направлении вдоль спинки и корыта обрабатываемой лопатки 3, обеспечивающее равномерное омывание электропроводящими гранулами 5 спинки и корыта лопатки 3, после чего подают на блиск от анода и на электрод бэластичного чехла 4 от катода электрический ток и начинают обработку поверхности лопатки 3 до получения заданной шероховатости. При этом возвратно-поступательное движение электропроводящих гранул 5 могут быть созданы за счет возвратно-поступательных движений эластичного чехла 4 или блиска 1. После окончания обработки лопатки 3 из эластичного чехла 4 удаляют электропроводящие гранулы 5, снимают чехол 4 с обработанной лопатки 3 и одевают на следующую лопатку блиска 1 и повторяют указанный цикл обработки до полной обработки всех лопаток блиска. В процессе полирования текущей лопатки 3 блиска 1 обеспечивают возвратно-поступательное движения гранул во всем объеме эластичного чехла 4.

При полировании каждой лопатки 2 блиска 1 используют рабочий контейнер 4 в виде эластичного чехла 4 выполненного из неэлектропроводного материала и содержащего во внутреннем рабочем объеме по крайней мере один электрод 6, подключенный к катоду. Эластичный чехол 4, размерами и формой должен обеспечивать охват с рабочим зазором всей обрабатываемой поверхности лопатки 3 блиска 1. При этом эластичный чехол 4 должен размещаться в межлопаточном пространстве между двумя соседними от обрабатываемой лопатки 3 лопатками 2 (фиг. 3а). При заполнении эластичного чехла 4 электропроводящими гранулами 5 он должен увеличиваться в объеме и заполнять указанное межлопаточное пространство (фиг. 3b). Эластичный чехол 4 может быть также снабжен питателем 7 с электропроводящими гранулами 6, позволяющим при сокращении объема питателя 7 транспортировать электропроводящие гранулы 5 в рабочий объем эластичного чехла 4 (фиг. 4).

Стенки эластичного чехла 4 могут быть выполнены с зигзагообразными изгибами (фиг. 5), образующими карманы 8, внутри которых размещены пружинные электроды 6, причем карманы 8 обеспечивают закрытие электродов 6 при свободном положении стенок эластичного чехла 4 (фиг. 5а) и их раскрытие при растяжении стенок эластичного чехла 4 за счет распрямления гофров (фиг. 5b). Пружинные электроды 6, при расширении эластичного чехла 4 должны деформироваться вместе со стенками эластичного чехла 4. При одевании эластичного чехла 4 пружинные электроды 6 находятся в карманах 8 и не соприкасаются с поверхностью обрабатываемой лопатки 3 блиска 1. После заполнения эластичного чехла 4 электропроводящими гранулами 5 пружинные электроды 6 раскрываются за счет открытия карманов 8 и входят в контакт с электропроводящими гранулами 5.

Процесс полирования может осуществляться при плотности тока 0,2-10 А/см². В качестве электропроводящих гранул 5 могут использоваться, либо сферические частицы диаметром от 0,4 до 1,2 мм, либо овальные частицы размерами от 0,3 до 1,4 мм, а также пористые гранулы 5 из материала, обеспечивающего заполнение пор электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы 5, например, гранулы 5 выполненные из сульфированный сополимер стирол-дивинилбензола. Полирование может осуществляться в среде аргона, особенно при полировании деталей из титана и титановых сплавов, в частности лопаток блиска 2 турбины. При полировании блиска 1 из титанового сплава в качестве электролита может использоваться водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л. Кроме того, в процессе полирования может дополнительно производится относительное движение обрабатываемого блиска 1 и рабочего контейнера (эластичного чехла) 4 в режимах возвратно-поступательного движения. Процесс полирования осуществляют до получения заданной величины шероховатости поверхности лопаток блиска 1.

Возвратно-поступательные движения электропроводящих гранул 5 позволяют обеспечить равномерное воздействие на всю обрабатываемую поверхность текущей лопатки 3 и тем самым повысить качество и однородность ее поверхности. Кроме того, за счет создание однородных условий для всего объема гранул обеспечивается равномерное протекание электрических процессов, в частности ионного переноса при обработки лопатки.

При осуществлении способа происходят следующие процессы. При возвратно-поступательном движении гранул происходят их столкновения с обрабатываемой поверхностью детали. При этом столкновения между гранулами происходят также и во всем объеме рабочего контейнера, создавая таким образом для всего объема гранул равномерные условия протекания электрических процессов. При этом электрические процессы между деталью (анодом) и гранулами (катодом) происходят за счет контакта массы электропроводных гранул друг с другом и с находящимся под отрицательным потенциалом рабочего контейнера и/или введенных в массу гранул электродов (катодов), находящихся под отрицательным потенциалом. При столкновениях гранул с микровыступами на обрабатываемой поверхности детали происходит ионный унос массы с микровыступов, в результате чего происходит выравнивание поверхности, уменьшается ее шероховатость и происходит полирование поверхности.

Пример. Обработке подвергали лопатки блиска из титанового сплава марки ВТ9. Обрабатываемые лопатки блиска последовательно погружали в рабочий контейнер с пористыми сферическими гранулами размерами от 0,6 до 0,8 мм, выполненными из сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола. В качестве электролита-заполнителя гранул использовали водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - 6 г/л и KF - 33 г/л. Прикладывали к детали положительное, а к гранулам (через пружинные электроды, находящиеся внутри стенок эластичного чехла) - отрицательное напряжение. Процесс полирования проводили при непрерывном колебательном движении гранул амплитудой 14 кГц. Процесс полирования проводили при плотности тока 1,8 А/см².

Условия обработки по способу-прототипу [WO 2017186992] были следующие. Взаимодействие лопаток блиска и гранул за счет вращения блиска в объеме гранул. Обрабатываемые лопатки погружали рабочий контейнер с пористыми сферическими гранулами размерами от 0,6 до 0,8 мм, выполненными из сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола. Рабочий контейнер обеспечивал погружение сразу всех лопаток блиска в гранулы. В качестве электролита-заполнителя гранул использовали водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - 6 г/л и KF - 33 г/л. Прикладывали к детали положительное, а к гранулам (через корпус контейнера) - отрицательное напряжение. Процесс полирования проводили при плотности тока 1,8 А/см².

Сравнивались величины шероховатости на различных участках детали после сравниваемых способах обработки. Исходная шероховатость поверхности деталей составляла Ra 0,72 мкм. После обработки разброс шероховатости на различных участках поверхности обработанных деталей составляла: для прототипа от Ra 0,16 мкм до Ra 0, 32 мкм, для обработанных по предлагаемому способу от Ra 0,12 мкм до Ra 0, 16 мкм. Кроме того, при обработке по способу-прототипу наблюдался перегрев среды гранул и блиска из-за необходимости использования большей энергии, поскольку площадь обработки в этом случае была значительно большей, чем по предлагаемому способу.

Кроме того, были проведены исследования следующих режимов обработки деталей из титановых сплава, (ВТ-1, ВТ3-1, ВТ8). За отрицательный результат принимался режим обработки дающий разброс значений шероховатости по поверхности детали более ΔRa 0, 05 мкм. Возвратно-поступательные движения гранул - удовлетворительный результат (У.Р.), обеспечение только трения гранул о поверхность обрабатываемой детали при ее полном погружении неудовлетворительный результат (Н.Р.).

Размеры и форма гранул: сферические частицы диаметром: 0,2 мм (Н.Р.), 0,4 мм (У.Р.), 0,6 мм (У.Р.), 0,8 мм (У.Р.), 1,2 мм (У.Р.), 0, 14 мм (Н.Р.). Овальные частицы размерами от 0,3 до 1,4 мм. 0,2 мм (Н.Р.), 0,3 мм (У.Р.), 0,5 мм (У.Р.), 0,8 мм (У.Р.), 1,2 мм (У.Р.), 1,4 мм (У.Р.), 0, 16 мм (Н.Р.).

Таким образом предложенные способ сухого локального электрополирования лопаток блиска и рабочий контейнер для осуществления способа позволяют повысить надежность процесса полирования лопаток блисков, а также качество и однородность обработки их поверхностиза счет обеспечения равномерного взаимодействия гранул с обрабатываемой поверхностью лопатки и уменьшения ее одновременно обрабатываемой площади.