Установка для электрополирования лопатки турбомашины Российский патент 2021 года по МПК C25F3/16 

Изобретение относится к технологии электрополирования поверхности деталей из металлов и сплавов и может быть использовано для обработки поверхностей лопаток турбомашин для повышения их эксплуатационных характеристик.

С повышением шероховатости поверхности ответственных металлических деталей, работающих в условиях воздействия значительных знакопеременных нагрузок, например валов, лопаток газовых турбин и т.п., резко снижаются их эксплуатационные характеристики. Качество обработки поверхности пера лопаток существенно влияет на их прочностные характеристики, так например, повышение класса чистоты поверхности способствует увеличению предела выносливости и статической прочности лопаток (В.Ф. Макаров, Е.Н. Бычина, А.О. Чуян. Математическое моделирование процесса полирования лопаток газотурбинных двигателей // Авиационно-космическая техника и технология. №8 (85), 2011, с.11-14). Развитая шероховатость поверхности лопаток газовых турбин приводит к ухудшению газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя (ГТД), к возрастанию аэродинамических потерь, приводящих к снижению КПД, к потере мощности, росту удельных расходов и к снижению экономичности двигателя или газотурбинной установки.

В то же время производство и ремонт лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и установок (ГТУ), в связи с высокими требованиями к качеству поверхности (Ra≤0,32…0,16 мкм), характеризуется значительной трудоемкостью их финишной обработки. Это вызывает проблемы при механической обработке поверхностей деталей турбомашин. В этой связи развитие способов получения высококачественных поверхностей деталей турбомашин является весьма актуальной задачей.

Известен способ полирования поверхности детали кругом, при котором детали (лопатке турбины) сообщают возвратно-поступательное перемещение относительно инструмента (А.С. СССР №1732604. МПК B24B 19/14. Способ полирования пера лопаток ГТД лепестковым кругом. Опубл. Бюл. № 1, 2014 г.), в котором полирование производят с деформацией лепесткового круга.

Известен также способ обработки, позволяющий полировать криволинейную кромку пера лопаток газовой турбины заправленным по радиусу полировальным кругом, движущимся вдоль пера лопатки (Патент РФ №2379170. МПК B24B 19/14. Способ обработки лопаток газотурбинных двигателей. Опубл. 2010 г.).

Однако применение в известных способах полирования поверхности детали механического воздействия вызывает ухудшение параметров качества поверхностного слоя материалов, что приводит к снижению ее эксплуатационных характеристик, особенно в случаях обработки таких деталей как лопатки турбины с тонким пером.

Наиболее перспективными методами обработки деталей сложной формы, в частности 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. 06.08.1986].

Известен также способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ №1132, МПК C25F 3/16, опубл. 1996, БИ №3], а также способ электрохимического полирования [Патент США №5028304, МПК B23H 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.1991].

Однако известные способы электрополирования не позволяют производить однородную обработку поверхности детали из металлического сплава, особенно деталей сложной формы.

Известен также способ полирования металлической детали, заключающийся в заполнении электропроводящими гранулами рабочего контейнера, выполненного из электропроводного материала, закрепление детали на держателе, погружении детали в электропроводящие гранулы, заполняющие контейнер, подключении детали к аноду, а контейнера к катоду [ WO2017186992 - |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 [WO2017186992] обладает низкой надежностью и не может быть использован для обработки поверхности ответственных деталей, таких как лопатки турбомашин, поскольку происходит хаотичное взаимодействие поверхности с гранулами, что приводит к неоднородной обработки поверхности, приводящих к снижению эксплуатационных характеристик обработанных деталей.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является способ сухого электрополирования лопатки турбомашины, включающий установку обрабатываемого пера лопатки в электрод, охватывающий упомянутое перо лопатки с зазором, в котором расположена лента из ионитов, обеспечение контакта упомянутой ленты со всей обрабатываемой поверхностью упомянутого пера и с упомянутым охватывающим электродом, перемещение упомянутой ленты в упомянутом зазоре относительно поверхности упомянутого пера, подачу противоположного по знаку электрического потенциала на лопатку и внешний электрод, обеспечивающего ионный унос металла с поверхности пера лопатки [Патент РФ № 2734206. МПК C25F 3/16. Способ ионного полирования детали. Опубл 13.10.2020].

Однако известный способ-прототип [Патент РФ № 2734206] обладает низким качеством и надежностью обработки и не может быть использован для полирования лопаток турбомашин, из-за неравномерного уноса материала пера лопатки с различных участков его поверхности ( торца, входной и выходной кромок), приводящих к снижению эксплуатационных характеристик обработанных лопаток турбомашин.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа установки, является установка для полирования поверхностей лопаток турбомашин (Патент РФ № 2710087. МПК B23H 3/08 Способ обработки перфорационных отверстий в полых лопатках турбомашины и установка для его реализации. Опубл. 24.12.2019 г.).

Однако известная установка (Патент РФ № 2710087) не обеспечивает высокого качества и однородной обработки поверхности пера лопатки турбомашины.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества и надежности обработки пера лопатки турбомашины.

Техническим результатом изобретения является повышение качества и надежности обработки поверхности пера лопатки за счет повышения однородности обработки ее поверхности и обеспечения заданной геометрии пера лопатки.

Технический результат достигается за счет того, что в способе сухого электрополирования лопатки турбомашины, включающем установку обрабатываемого пера лопатки в электрод, охватывающий упомянутое перо лопатки с зазором, в котором расположена лента из ионитов, обеспечение контакта упомянутой ленты со всей обрабатываемой поверхностью упомянутого пера и с упомянутым охватывающим электродом, перемещение упомянутой ленты в упомянутом зазоре относительно поверхности упомянутого пера, подачу противоположного по знаку электрического потенциала на лопатку и охватывающий электрод, обеспечивающего ионный унос металла с поверхности пера лопатки в отличие от прототипа осуществляют вибрационное движение лопатки и/или и охватывающего электрода, обеспечивающее равномерную обработку упомянутой поверхности пера, используют охватывающий электрод эквидистантный по форме обрабатываемому перу лопатки, а перемещение ленты осуществляют огибая ее вдоль профиля поперечного сечения пера лопатки, подавая ленту в упомянутый зазор с одной из сторон выходной кромки пера с огибанием его входной кромки и выходом из упомянутого зазора с другой стороны выходной кромки

Кроме того возможны следующие, дополнительные приемы выполнения способа: вибрационное движение лопатки относительно охватывающего электрода осуществляют при возвратно-поступательном движении лопатки, вдоль ее продольной оси с частотой от 30 до 200 Гц, амплитудой от 0,1 до 2 мм, толщину упомянутой ленты берут на 10…30% большей величины упомянутого зазора, в качестве упомянутой ленты используют ленту из волокон ионообменных смол, полученных на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола, причем размеры поперечного сечения волокон выбирают из диапазона от 0,05 до 0,6 мм при их длине от 4 мм до 45 мм, а обработку упомянутой лентой проводят в импульсном режиме со сменой полярности, при диапазоне частот импульсов от 20 до 250 Гц, период импульсов от 4,3 до 72 мкс, при амплитуде тока положительной полярности во время импульса от + 20 до 120 А и его длительности 0,2 до 1,4 мкс, при амплитуде тока отрицательной полярности во время импульса от 25 до 40% от используемой амплитуды тока положительной полярности, и его длительности 0,1 до 0,6 мкс, при прямоугольной или трапецеидальной форме выходных импульсов тока и длительности пауз между импульсами от 4 до 70 мкс; в качестве обрабатываемого пера используется перо лопатки в составе сектора лопаток, причем каждое перо лопатки устанавливают в собственный охватывающий электрод, упомянутую ленту продевают последовательно через каждый охватывающий электрод, охватывая каждое обрабатываемое перо лопатки сектора, осуществляют возвратно-поступательное движение ленты, задавая преимущественное суммарное перемещение в одном из выбранных направлений и проводят одновременную обработку каждого упомянутого пера лопаток сектора; в качестве упомянутой ленты используют ленту, выполненную в виде ленты Мебиуса; используют лопатку турбомашины, выполненную из легированной стали, а в качестве электролитов для пропитки упомянутой ленты используют один из следующих водных растворов: или NH₄F, концентрацией от 6 до 24 г/л, или NаF, концентрацией от 4 до 18 г/л, или KF концентрацией от 35 до 55 г/л, или смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л, или смеси NаF и KF при содержании NаF - от 3 до 14 г/л и KF - от 35 до 60 г/л, или смеси NH₄F и NaF при содержании NH₄F - от 4 до 12 г/л и KF - от 35 до 55 г/л, или смеси NH₄F , NаF и KF при содержании NH₄F - от 3 до 9 г/л и KF - от 20 до 30 г/л, и NaF - от 10 до 25 г/л, или смеси NH₄F и НF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и НF - от 3 до 5 г/л, или от 8 до 14% водном растворе NaNO_{3 ,} или в электролитах составов, мас.%: (NH₄)₂SO₄ - 5; Трилон Б - 0,8, или содержащий серную и орто-фосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Серная кислота 10-30 Орто-фосфорная кислота 40-80 Блок-сополимер окисей этилена и пропилена 0,05-1,1 Натриевая соль сульфированного бутилолеата 0,01-0,05 Вода Остальное;

используют лопатку турбомашины, выполненную из титанового сплава, а в качестве электролитов для пропитки упомянутой ленты используют один из следующих водных растворов: или водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 8 до 14 г/л и KF - от 36 до 48 г/л, или водного раствора с содержанием 30 - 50 г/л KF·2H₂O и 2 - 5 г/л СrO₃; используют лопатку турбомашины, выполненную из никелевого сплава, а в качестве электролитов для пропитки упомянутой ленты используют один из следующих водных растворов: водный раствор соли фторида аммония концентрацией 6 - 9,0 г/литр, или водный раствор сульфата аммония с концентрацией 0,8…3,4 или водный раствор, содержащий серную и орто-фосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Серная кислота 10-30 Орто-фосфорная кислота 40-80 Блок-сополимер окисей этилена и пропилена 0,05-1,1 Натриевая соль сульфированного бутилолеата 0,01-0,05 Вода Остальное

Технический результат достигается за счет того, что установка сухого электрополирования лопаток турбомашины, в отличие от прототипа содержит камеру, внутри которой расположено, по крайней мере одно устройство для полирования, содержащее держатель обрабатываемой лопатки с прижимным устройством, вибратором и внешним охватывающим электродом, эквидистантным по форме охватываемому перу обрабатываемой лопатки, выполненным с возможностью размещения в его полости обрабатываемого пера лопатки с образованием между поверхностью упомянутого пера и охватывающим электродом зазора, предотвращающего контакт между лопаткой и упомянутым электродом, упомянутым зазором, достаточным для продевания и перемещения в упомянутом зазоре ленты из ионитов с одновременным обеспечением контакта с поверхностью обрабатываемого пера лопатки и охватывающим электродом, упомянутой ленты, снабженной по боковым краям гибкими направляющими полосами, продетыми в направляющие полости электрода, обеспечивающими натяжение упомянутой ленты в направлении продольной оси лопатки, ее плавный отвод от верхнего торца лопатки и области перехода от пера к основанию лопатки, механизм подачи и перемещения упомянутой ленты в упомянутом зазоре, в виде двух бобин с упомянутой лентой, выполненных с возможностью их вращения и погружения в емкости для регенерации упомянутой ленты, упомянутые емкости для регенерации ленты, снабженные электродами, подключенными к электрическим источникам регенерации, источники электропитания для электрополирования лопатки и токоподводы, выполненные с возможностью подачи на упомянутый охватывающий электрод и упомянутую обрабатываемую лопатку противоположного по знаку электрического потенциала.

Кроме того возможны следующие дополнительные признаки установки: держатель обрабатываемой лопатки в составе сектора с лопатками выполнен в виде пакета с упомянутыми охватывающими электродами, снабжен направляющей для заправки сектора с обрабатываемыми лопатками в упомянутый пакет, а пространство между упомянутыми электродами заполнено эластичным материалом, обеспечивающим при установке лопаток в упомянутый пакет изменение его конфигурации согласно сечениям и расположениям лопаток в составе сектора при установке лопаток в упомянутый пакет.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана схема обработки пера лопатки. На фиг. 2 изображена схема одновременной обработки нескольких лопаток или лопаток в составе сектора (фиг. 2 а - сечение пакета с охватывающими электродами и обрабатываемыми лопатками, фиг. 2 b - 3D изображение пакета с охватывающими электродами с заправленной лентой). На фиг. 3 представлены основные элементы устройства для полирования лопаток. На фиг 4 - внешний вид устройства для полирования с лентой и емкостью для регенерации. На фиг. 5 показано внутреннее устройство установки с серией устройств для полирования секторов с лопатками. На фигуре 6 - изображена лента с гибкими боковыми направляющими и направляющими внутреннего электрода (3D изображения: фиг. 6 а - лента с гибкими боковыми направляющими, фиг. 6 b - внутренний электрод с пазами направляющих, фиг. 6 с - внутренний электрод с заправленной лопаткой и лентой в области верхнего торца лопатки, фиг. 6 d - внутренний электрод с заправленной лопаткой и лентой в области перехода от пера лопатки к основанию). На фиг. 7 показана направляющая для заправки сектора с обрабатываемыми лопатками в пакет (3D изображения: фиг. 7 а - охватывающий электрод в направляющей до заправки лопаток, фиг. 7 b - охватывающий электрод в процессе заправки лопаток). Фигуры с 1 по 7 содержат: 1 - перо лопатки (лопатка), 2 - охватывающий электрод, 3 - лента из волокон ионитов, 4 - зазор между пером лопатки и охватывающим электродом, 5 - разделительная перегородка, 6 - пакет с охватывающими электродами, 7 - сектор с лопатками, 8 - держатель лопатки с прижимным устройством, 9 - бобина с лентой, 10 - механизм подачи и перемещения ленты, 11 - емкость для регенерации, 12 - скоба вибратора, 13 - вибратор, 14 - камера установки, 15 - направляющие полосы ленты, 16 - направляющие полости электрода, 17 - полость охватывающего электрода, 18 - верхний торец пера, 19 - переход от пера лопатки к ее основанию, 20 - основание лопатки, 21 - направляющая заправки сектора, 22 - пространство между электродами.

(красными стрелками обозначено направление движения ленты, полыми лентами - перемещение пакета при заправке сектора с лопатками).

Заявляемый способ сухого электрополирования пера лопатки турбомашины, в частности поверхности пера лопатки в процессе его изготовления или восстановительного ремонта и работа установки осуществляется следующим образом.

На держателе закрепляют лопатку 1 в держателе с прижимным устройством 8 (фиг.1 и фиг.2) и размещают ее в полость 17 охватывающего электрода 2 таким образом, чтобы электрод 2 и обрабатываемая лопатка (перо лопатки) 1 не касались друг друга. При этом, между электродом 2 и пером лопатки 1 оставляют зазор 4, обеспечивающий свободное перемещение в нем ленты 3, выполненной из волокон ионитов при обеспечении ее одновременного контакта с внешним электродом 2 и лопаткой 1. Заправляют ленту 3 в зазор 4 между деталью 1 и внешним электродом 2, обеспечивая постоянное перемещение ленты 3 в зазоре 4 (например, ее перемоткой с одной бобины 9 на другую) (фиг. 3, фиг.4, фиг. 5). Лопатку 1 с охватывающим электродом 2 помещают в устройство для полирования. Используют охватывающий электрод 2 эквидистантный по форме обрабатываемому перу лопатки 1, а перемещение ленты 3 осуществляют огибая ее вдоль профиля поперечного сечения пера лопатки 1, подавая ленту в зазор 4 с одной из сторон выходной кромки пера лопатки 1 с огибанием его входной кромки и выходом из зазора 4 с другой стороны выходной кромки пера лопатки 1.

При обработке нескольких лопаток 1 одновременно или обработке лопаток в составе сектора 7 лопатки размещают в пакет с охватывающими электродами 6 и заряженной лентой 3 и закрепляют держателем с прижимным устройством 8 (фиг. 2 и фиг 3) . При этом, в ленте 3 поддерживается требуемый уровень содержания электролита за счет опускания бобины 9 в емкость для регенерации 11. Для интенсификации процесса ленту 3 можно дополнительно приводить в вибрационное движение. Для надежного закрепления ленты 3 в охватывающем электроде 2 на ленте предусмотрены гибкие направляющие полосы 15, заправляемые в направляющие полости электрода 16 (фиг. 6). Кроме того, направляющие полосы 15, перемещаясь в направляющих электрода 16 плавно отводят ленту 3 от верхнего торца 18 пера лопатки 1 и в области перехода от пера к основанию 19 , что позволяет избежать чрезмерного уноса материала с верхнего торца 18 пера лопатки 1 и обеспечить плавный переход в области перехода от пера лопатки к основанию 19. В процессе полирования на обрабатываемую лопатку 1 и охватывающий электрод 2 подают электрический потенциал и включают вибратор 13 и привод механизма 10 подачи и перемещения ленты 3. Лента 3, перемещаясь в зазоре 4 между пером лопатки 1 и электродом 2 и производит полирование поверхности пера лопатки 1 за счет ионного уноса материала с микровыступов пера лопатки 1 . Полирование производят до получения заданной шероховатости поверхности пера лопатки 1 и радиусов закругления его входной и выходной кромок. Перемещение ленты 3 может осуществляться по различным вариантам: только в одном направлении, возвратно-поступательно с преимущественным суммарным перемещением в выбранном направлении, по замкнутому циклу с использованием петли Мебиуса. Камера установки 14 служит для защиты от внешних факторов и герметизации среды, в которой происходит полирование лопаток, а также кремпления устройств и механизмов, обеспечивающих процесс электрополирования.

Вибрационное движение лопатки 1 относительно охватывающего электрода 2 осуществляют при возвратно-поступательном движении лопатки 1 , вдоль ее продольной оси с частотой от 30 до 200 Гц, амплитудой от 0,1 до 2 мм, толщину ленты 3 для обеспечения надежного контакта с поверхностями пера лопатки 1 и охватывающего электрода 2 берут на 10…30% большей величины зазора 4.

После окончания обработки готовую лопатку 1 вынимают и складывают в тару для хранения. При этом, в зависимости от конфигурации пера лопатки 1 можно использовать различные варианты внешнего охватывающего электрода 2 (в виде сплошной изогнутой пластины, пластины с перфорациями, сетки и т.п.) и величины зазора 4.

Электрополирование пера лопатки 1 (фиг.1) проводят посредством протекания электрохимических процессов (ионного уноса материала детали 1) между деталью 1 и внешним электродом 2 через ленту 3, выполненную из волокон ионитов (анионитов), пропитанных раствором электролита, обеспечивающего электропроводность ленты 3 и ионный унос металла с поверхности детали 1 с удалением с нее микровыступов.

Устанавливают внешний охватывающий электрод 2 вокруг пера лопатки 1, обеспечивают контакт всей полируемой поверхности пера лопатки 1 с лентой 3 и ленты 3 с электродом 2, приводят ленту 3 в движение, перемещая ее при вибрации через зазор 4, обеспечивая отсекание ленты 3 разделительной перегородкой 5, подают на пера лопатки 1 и охватывающий электрод 2 электрический потенциал, обеспечивающий ионный унос металла при протекании электрического тока через ленту 3 с поверхности обрабатываемого пера лопатки 1 и его полирование до получения заданной шероховатости полируемой поверхности. При обработки лопатку дополнительно приводят в возвратно-поступательное движение относительно ее продольной оси, без касания с охватывающим электродом 2.

В качестве анионитов для ленты 3 используют ионообменные смолы полученные на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола. Размеры поперечного сечения волокон выбирают из диапазона от 0,05 до 0,6 мм при их длине от 4 мм до 45 мм.

Электрополирование лентой 3 проводят либо подавая на пера лопатки 1 положительный, а на внешний электрод 2 отрицательный электрический потенциал, величиной от 12 до 35 В, либо в импульном режиме со сменой полярности, при диапазоне частот импульсов от 20 до 100 Гц, периода импульсов от 50 мкс до 10 мкс, при амплитуде тока положительной полярности во время импульса +50 А и их длительности 0,4 до 0,8 мкс, при амплитуде тока отрицательной полярности во время импульса - 20 А, и их длительности 0,2 до 0,4 мкс, при прямоугольной форме выходных импульсов тока и длительности пауз между импульсами от 49,6 мкс до 9,2 мкс.

При полировании лопатки турбомашины, выполненной из легированной стали, в качестве электролитов для пропитки ленты 3 из анионитов используют один из следующих водных растворов: или NH₄F, концентрацией от 6 до 24 г/л, или NаF, концентрацией от 4 до 18 г/л, или KF концентрацией от 35 до 55 г/л, или смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л, или смеси NаF и KF при содержании NаF - от 3 до 14 г/л и KF - от 35 до 60 г/л, или смеси NH₄F и NaF при содержании NH₄F - от 4 до 12 г/л и KF - от 35 до 55 г/л, или смеси NH₄F , NаF и KF при содержании NH₄F - от 3 до 9 г/л и KF - от 20 до 30 г/л, и NaF - от 10 до 25 г/л, или смеси NH₄F и НF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и НF - от 3 до 5 г/л, или от 8 до 14% водном растворе NaNO_{3 ,} или в электролитах составов, мас.%: (NH₄)₂SO₄ - 5; Трилон Б - 0,8, или содержащий серную и орто-фосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Серная кислота 10-30 Орто-фосфорная кислота 40-80 Блок-сополимер окисей этилена и пропилена 0,05-1,1 Натриевая соль сульфированного бутилолеата 0,01-0,05 Вода Остальное.

При полировании лопатки турбомашины выполненной из титанового сплава, в качестве электролитов для пропитки ленты 3 из анионитов используют один из следующих водных растворов: или водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 8 до 14 г/л и KF - от 36 до 48 г/л, или водного раствора с содержанием 30 - 50 г/л KF·2H₂O и 2 - 5 г/л СrO₃.

При полировании лопатки турбомашины выполненной из никелевого сплава, в качестве электролитов для пропитки ленты 3 из анионитов используют один из следующих водных растворов: водный раствор соли фторида аммония концентрацией 6 - 9,0 г/литр, или водный раствор сульфата аммония с концентрацией 0,8…3,4 или водный раствор, содержащий серную и орто-фосфорную кислоты, блок-сополимер окисей этилена и пропилена и натриевую соль сульфированного бутилолеата при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Серная кислота 10-30 Орто-фосфорная кислота 40-80 Блок-сополимер окисей этилена и пропилена 0,05-1,1 Натриевая соль сульфированного бутилолеата 0,01-0,05 Вода Остальное

Процесс полирования осуществляют до получения заданной величины шероховатости поверхности пера лопатки 1.

Полирование лопаток или сектора с лопатками производят в установке для сухого электрополирования (фиг. 5), которая содержит камеру 14 , внутри которой расположено, по крайней мере одно устройство для полирования содержащее (фиг. 5 и фиг. 4) держатель обрабатываемой лопатки с прижимным устройством 8, вибратор 13 со скобой 12 и внешний охватывающий электрод 2, эквидистантный по форме охватываемому перу 1 обрабатываемой лопатки, выполненный с возможностью размещения в его полости 17 обрабатываемого пера 1 лопатки с образованием между поверхностью пера 1 и охватывающего электрода 2 зазора 4. Зазор 4, необходим для предотвращения контакта между пером 1 лопатки и охватывающим электродом 2. Величина зазора 4 должна быть достаточной для продевания и перемещения в нем ленты 3 из ионитов с одновременным обеспечением контакта с поверхностью обрабатываемого пера 1 лопатки и охватывающим электродом 2. Лента 3 снабжена по боковым краям гибкими направляющими полосами 15 (фиг. 6), продетыми в направляющие полости электрода 16 . Направляющие полосы 15 и направляющие полости 16 обеспечивают натяжение ленты 3 в направлении продольной оси пера 1 лопатки, а также плавный отвод ленты 3 от верхнего торца пера 1 лопатки и области перехода от пера 1 к основанию лопатки. Механизм подачи и перемещения ленты 10 в зазоре 4 включает по две бобины с лентой 9 , выполненные с возможностью их вращения и погружения в емкости для регенерации 11 ленты 3. Емкости для регенерации 11 ленты 3 снабжены электродами, подключенными к электрическим источникам регенерации (не показано). Установка также снабжена источниками электропитания для электрополирования лопатки и токоподводами, выполненными с возможностью подачи противоположного по знаку электрического потенциала на охватывающий электрод 2 и обрабатываемую лопатку 1.

При полировании пера 1 лопатки (фиг. 7) в составе сектора 7 с лопатками используется пакет 6 с охватывающими электродами 2. При этом используется направляющая 21 для заправки сектора 7 с обрабатываемыми лопатками в пакет 6. Для заправки сектора с отрицательной или положительной кривизной основания пространство между охватывающими электродами 2 заполнено эластичным материалом. Эластичный материал обеспечивает при установке лопаток в пакет 6 изменение конфигурации пакета 6 согласно сечениям и расположениям лопаток в составе сектора 7 при установке перьев 1 лопаток в пакет 6.

Движение ленты 3 через зазор 4 и ее вибрация позволяют обеспечить равномерную обработку всей поверхность пера лопатки 1 и тем самым повышают качество и однородность свойств ее поверхности, а кроме того, при обработке деталей типа пера лопатки, обеспечить финишную размерную обработку входной и выходной кромок лопатки. Принудительное перемещение ленты 3 через зазор 4 позволяет осуществлять равномерный контакт, а следовательно и обработку поверхности детали 1, в то время как, использование гранул, как это осуществляется в техническом [WO2017186992] , приводит к образованию точечных дефектов, вызванных прилипанием гранул к обрабатываемой поверхности пера лопатки 1. А по сравнению со способом-прототипом [Патент РФ № 2734206] предлагаемый способ и установка позволяют повысить качество и надежностью обработки, в частности за счет сохранения геометрии кромок верхнего торца пера лопатки, плавных переходов и однородного воздействия на обрабатываемую поверхность ленты 3, снабженную устройством для ее натяжения в направлении продольной оси лопатки.

При осуществлении способа происходят следующие процессы. При движении ленты 3 в зазоре 4 происходят ее одновременный контакт с обрабатываемой поверхностью детали 1 и охватывающим электродом 2, создавая равномерные условия протекания при полировании детали 1 электрохимических процессов. При этом электрохимические процессы (ионный унос материала с обрабатываемой поверхности) между лопаткой 1 (анодом) и охватывающим электродом 2 (катодом), через ленту 3 происходят за счет контакта волокон-анионитов ленты 3 с находящимся под отрицательным потенциалом охватывающим электродом 2 (катодом). При столкновениях ленты 3 с микровыступами на обрабатываемой поверхности пера лопатки 1 происходит ионный унос массы с микровыступов, в результате чего происходит выравнивание поверхности, уменьшается ее шероховатость и происходит полирование поверхности.

Были проведены также следующие исследования по полированию деталей (лопаток турбомашин) из легированых сталей, никелевых и титановых сплавов. Неудовлетворительным результатом (Н.Р.) считался результат, при котором на полируемой поверхности не наблюдался эффект полирования, происходило недопустимое изменение геометрии пера лопатки. При отсутствии дефектов на поверхности детали результат признавался удовлетворительным (У.Р.)

Во всех случаях, следующие режимы обработки деталей оказались универсальными.

Лента, выполненная из волокон анионитов размерами

- поперечного сечения волокон (0,03 мм (Н.Р.), 0,05 мм (У.Р.), 0,1 мм (У.Р.), 0,2 мм (У.Р.), 0,4 мм (У.Р.), 0,6 мм (У.Р.), 0,8 мм (Н.Р.));

- длина волокон от 4 мм до 45 мм (3 мм (Н.Р.), 5 мм (У.Р.), 10 мм (У.Р.), 25 мм (У.Р.), 45 мм (У.Р.), 60 мм (Н.Р.).

Применяемые аниониты - ионообменные смолы полученные на основе сополимеризации либо полистирола, либо полиакрилата и дивинилбензола. Марки использованных в предлагаемом изобретении анионитов на основе синтетических смол: Анионит 17-8ЧС , Анионит Purolite A520E, Lewatit S 6328 A (на основе сополимера стирол-дивинилбензола), «Lewatit М500», «Lewatit MonoPlus MК 51», «Lewatit MonoPlus MP 68 », Purolite C150E, Purolite A-860 (макропористая сильноосновная анионообменная смола основанная на акрилатах), анионит сульфированный сополимер стирол-дивинилбензола. Перечисленные аниониты пропитанные вышеприведенными составами электролитов, показали положительный результат при полировании лопаток из легированных сталей.

При обработке использовались вибрационное движение детали с частотой от 30 ... 200 Гц: 20 Гц (Н.Р.), 30 Гц (У.Р.), 100Гц (У.Р.), 150 Гц (У.Р.), 200 Гц (У.Р.), 250 Гц (Н.Р.) и амплитудой 0,1 до 2,0 мм (0,05 мм - Н.Р., 0,1 мм - У.Р., 0,5 мм - У.Р., 2,0 мм - У.Р., 3,0 мм - Н.Р.

При импульном режиме со сменой полярности:

- диапазон частот импульсов от 20 до 100 Гц: 15Гц (Н.Р.), 20Гц (У.Р.), 40Гц (У.Р.), 60Гц (У.Р.), 80Гц (У.Р.), 100Гц (У.Р.), 120Гц (Н.Р.)

- период импульсов от 50 мкс до 10 мкс,: 60 мкс (Н.Р.), 50 мкс (У.Р.), 40 мкс (У.Р.), 30 мкс (У.Р.), 20 мкс (У.Р.), 10 мкс (У.Р.), 5 мкс (Н.Р.);

- амплитуда тока положительной полярности во время импульса +50 А и их длительности 0,4 мкс до 0,8 мкс : 0,2 мкс (Н.Р.), 0,4 мкс (У.Р.), 0,6 мкс (У.Р.), 0,8 мкс (У.Р.), 10,0 мкс (Н.Р.);

- при амплитуде тока отрицательной полярности во время импульса - 20 А, и их длительности 0,2 мкс до 0,4 мкс, 0,1 мкс (Н.Р.), 0,2 мкс (У.Р.), 0,3 мкс (У.Р.), 0,4 мкс (У.Р.), 0,5 мкс (Н.Р.);

- при прямоугольной форме выходных импульсов тока(У.Р.),

- и длительности пауз между импульсами от 49,6 мкс до 9,2 мкс - (У.Р.) выход за пределы диапазона - (Н.Р.).

При режиме без смены полярности: электрополирование проводили подавая на деталь положительный, а на ленту (внешний электрод) отрицательный электрический потенциал от 12 до 35 В: 8 В (Н.Р.), 12 В (У.Р.), 20 В (У.Р.), 30 В (У.Р.), 35 В (У.Р.), 45 В (Н.Р.),

Первая группа: детали из легированных сталей.

Обработке подвергались детали (образцы и лопатки) из легированных сталей ЭП718-ИД, ВЖ105-ИД, ЭП718-ПД, ВЖ105-ПД.

Условия обработки по предлагаемому способу.

Применяемые электролиты для пропитки ленты, выполненной из анионитов:

1) NH₄F, концентрацией от 6 до 24 г/л (выход за пределы концентраций NH₄F от 6 до 24 г/л дает отрицательный результат);

2) NаF, концентрацией от 4 до 18 г/л, (выход за пределы концентраций от 4 до 18 г/л, дает отрицательный результат);

3) KF концентрацией от 35 до 55 г/л, (выход за пределы концентраций от 35 до 55 г/л, дает отрицательный результат);

4) смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л (выход за пределы концентраций NH₄F - от 5 до 15 г/л, дает отрицательный результат) и KF - от 30 до 50 г/л (выход за пределы концентраций KF - от 30 до 50 г/л, дает отрицательный результат),

5) смеси NаF и KF при содержании NаF - от 3 до 14 г/л (выход за пределы концентраций NаF - от 3 до 14 г/л, дает отрицательный результат), и KF - от 35 до 60 г/л (выход за пределы концентраций KF - от 35 до 60 г/л, дает отрицательный результат),

6) смеси NH₄F и NaF при содержании NH₄F - от 4 до 12 г/л (выход за пределы концентраций NH₄F - от 4 до 12 г/л, дает отрицательный результат) и KF - от 35 до 55 г/л (выход за пределы концентраций KF - от 35 до 55 г/л, дает отрицательный результат),

7) смеси NH₄F , NаF и KF при содержании NH₄F - от 3 до 9 г/л (выход за пределы концентраций NH₄F - от 3 до 9 г/л, дает отрицательный результат), и KF - от 20 до 30 г/л, (выход за пределы концентраций KF - от 20 до 30 г/л, дает отрицательный результат), и NaF - от 10 до 25 г/л (выход за пределы концентраций NaF - от 10 до 25 г/л, дает отрицательный результат),

8) смеси NH₄F и НF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л (выход за пределы концентраций NH₄F - от 5 до 15 г/л, дает отрицательный результат), и НF - от 3 до 5 г/л (выход за пределы концентраций НF от 3 до 5 г/л, дает отрицательный результат),

9) от 8 до 14% водном растворе NaNO₃ (выход за пределы концентраций NaNO₃ от 8 до 14% , дает отрицательный результат).

Вторая группа: детали (образцы и лопатки) из титановых сплавов марок ВТ9, ВТ-1, ВТ3-1, ВТ8. Лопатки обрабатывали лентой из волокон анионитов, пропитанных электролитом состава водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 8 до 14 г/л и KF - от 36 до 48 г/л и проводили полирование при плотности тока 1,2 до 1,8 А/см² до достижения минимально возможной шероховатости поверхности.

Условия обработки по предлагаемому способу.

Состав электролита: водный раствор смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F (6 г/л - Н.Р., 8 г/л - У.Р., 10 г/л - У.Р., 12 г/л - У.Р., 14 г/л - У.Р., более14 г/л- Н.Р.) и KF ( 32 г/л - Н.Р., 36 г/л - У.Р., 42 г/л - У.Р., 45 г/л - У.Р., 48 г/л - У.Р., 52 г/л - Н.Р.)

Третья группа: детали (образцы и лопатки) из никелевых сплавов марок ЖС6У, ЖС32. Лопатки обрабатывали лентой из волокон анионитов, пропитанными электролитом и проводили полирование при плотности тока 1,5 до 2,1 А/см² до достижения минимально возможной шероховатости поверхности.

Условия обработки по предлагаемому способу.

Лента, пропитанная электролитом состава: водный раствор соли фторида аммония концентрацией 6 - 9,0 г/литр (5,0 г/литр (Н.Р.), 6,0 г/литр (У.Р.), 7,0 г/литр (У.Р.), 8,0 г/литр (У.Р.), 10,0 г/литр (У.Р.), 12,0 г/литр (Н.Р.) ) и при плотности тока 1,5 до 2,1 А/см² (1,3 А/см² (Н.Р.), 1,5 А/см² (У.Р.), 1,6 А/см² (У.Р.), 1,9 А/см² (У.Р.), 2,1 А/см² (У.Р.), 2,3 А/см² (Н.Р.)).

По сравнению с известным способом полирования [Патент РФ № 2734206.] при обработке пера лопатки и перьев лопаток в составе сектора из легированных сталей, никелевых и титановых сплавов по предлагаемому способу образование дефектов в виде неполированных участков поверхности, неоднородноймикрогеометрии, недопустимое изменение геометрии пера лопатки практически не наблюдалось, в то время как при обработке по известному способу полирования [Патент РФ № 2734206.] происходило образование перечисленных дефектов. В среднем, при обработке по способу-прототипу [Патент РФ № 2734206.] наблюдалось около 98% случает возникновения дефекта в виде изменения геометрии пера лопатки.

Таким образом, предложенный способ сухого электрополирования пера лопатки турбомашины позволил достигнуть поставленного в изобретении технического результата - повышение качества и надежности обработки поверхности пера лопатки за счет повышения однородности обработки ее поверхности и обеспечения заданной геометрии пера лопатки.

Изобретение относится к устройствам для электрополирования поверхности металлических деталей. Устройство содержит камеру, внутри которой расположено по крайней мере одно устройство для полирования, содержащее держатель обрабатываемой лопатки с прижимным устройством, вибратором и внешним охватывающим электродом, эквидистантным по форме охватываемому перу лопатки, выполненным с возможностью размещения в его полости пера лопатки с образованием между поверхностью пера и охватывающим электродом зазора, предотвращающего контакт между лопаткой и электродом и достаточного для продевания и перемещения ленты из ионитов с одновременным обеспечением контакта с поверхностью обрабатываемого пера лопатки и охватывающим электродом, ленты, снабженной по боковым краям гибкими направляющими полосами, продетыми в направляющие полости электрода, обеспечивающими натяжение упомянутой ленты в направлении продольной оси лопатки, ее плавный отвод от верхнего торца лопатки и области перехода от пера к основанию лопатки. Установка содержит механизм подачи и перемещения ленты в виде бобин с лентой, выполненных с возможностью их вращения и погружения в емкости для регенерации ленты. Установка снабжена источниками электропитания для электрополирования лопатки и токоподводами подачи на охватывающий электрод и лопатку противоположного по знаку электрического потенциала. Технический результат: повышение эксплуатационных характеристик лопаток турбомашин. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Установка для электрополирования лопаток турбомашины, отличающаяся тем, что она содержит камеру, внутри которой расположено по крайней мере одно устройство для полирования, содержащее держатель обрабатываемой лопатки с прижимным устройством, вибратором и внешним охватывающим электродом, эквидистантным по форме охватываемому перу обрабатываемой лопатки, выполненным с возможностью размещения в его полости обрабатываемого пера лопатки с образованием между поверхностью упомянутого пера и охватывающим электродом зазора, предотвращающего контакт между лопаткой и упомянутым электродом упомянутым зазором, достаточным для продевания и перемещения в упомянутом зазоре ленты из ионитов с одновременным обеспечением контакта с поверхностью обрабатываемого пера лопатки и охватывающим электродом упомянутой ленты, снабженной по боковым краям гибкими направляющими полосами, продетыми в направляющие полости электрода, обеспечивающими натяжение упомянутой ленты в направлении продольной оси лопатки, ее плавный отвод от верхнего торца лопатки и области перехода от пера к основанию лопатки, механизм подачи и перемещения упомянутой ленты в упомянутом зазоре в виде двух бобин с упомянутой лентой, выполненных с возможностью их вращения и погружения в емкости для регенерации упомянутой ленты, упомянутые емкости для регенерации ленты, снабженные электродами, подключенными к электрическим источникам регенерации, источники электропитания для электрополирования лопатки и токоподводы, выполненные с возможностью подачи на упомянутый охватывающий электрод и упомянутую обрабатываемую лопатку противоположного по знаку электрического потенциала.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что держатель обрабатываемой лопатки в составе сектора с лопатками выполнен в виде пакета с упомянутыми охватывающими электродами, снабжен направляющей для заправки сектора с обрабатываемыми лопатками в упомянутый пакет, а пространство между упомянутыми электродами заполнено эластичным материалом, обеспечивающим при установке лопаток в упомянутый пакет изменение его конфигурации согласно сечениям и расположениям лопаток в составе сектора при установке лопаток в упомянутый пакет.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве обрабатываемого пера используется перо лопатки в составе сектора лопаток, причем каждое перо лопатки установлено в собственный охватывающий электрод, упомянутая лента продета последовательно через каждый охватывающий электрод, охватывая каждое обрабатываемое перо лопатки сектора, и выполнена с возможностью осуществления возвратно-поступательного движения ленты, задавая преимущественное суммарное перемещение в одном из выбранных направлений, и проведения одновременной обработки каждого упомянутого пера лопаток сектора.

4. Установка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что в качестве упомянутой ленты используют ленту, выполненную в виде ленты Мебиуса.