Способ электроэрозионной обработки ротора (или соплового блока) турбины и приспособление для осуществления способа

 

Изобретение относится к технологическим процессам, а именно к обработке металла воздействием электрического тока высокой плотности на заготовку с использованием электрода, который является инструментом. По чертежам детали получают электронно-цифровую модель межлопаточных каналов, определяющих профиль лопатки. На проволочном электроэрозионном станке изготавливают входные и выходные электроды для изготовления входных и выходных полуканалов. Входные электроды устанавливают разнонаправлено по отношению к выходным. Вначале изготавливается образец, а затем теми же электродами изделие. Приспособление к прошивному электроэрозионному станку содержит корпус и закрепленные в нем электроды. Корпус выполнен в виде кронштейна, содержащего подпятник, стойку и перекладину, на которой установлены электроды. Техническим результатом будет создание эффективного технологического процесса электроэрозионной обработки, в результате которого получают изделия повышенной точности. 2 с. и 12 з.п.ф-лы., 10 ил.

Область техники.

Изобретение относится к технологическим процессам, а более конкретно к обработке металла воздействием электрического тока высокой плотности на заготовку с использованием электрода, который является инструментом, а более конкретно к обработке турбинных лопаток, сопловых блоков*, сопел и вспомогательным устройствам для таких обработок. (* Под сопловым блоком подразумевается деталь статора с выполненными в ней неподвижными соплами).

Предшествующий уровень техники.

Из анализа уровня техники известен "Способ круговой электрохимической обработки лопаток ГТД", защищенный патентом РФ 2058863 С1 по классу МКИ6 В 23 Н 9/10, 3/00 с приоритетом от 13.08.92.

Сущность способа заключается в том, что заготовку лопатки закрепляют в рабочей камере по предварительно обработанным базовым поверхностям и ведут формообразование электродами-инструментами с подачей напряжения на электроды и заготовку. Профиль рабочих поверхностей электродов выполняют близким к заданному профилю лопатки. Это изобретение принимаем в качестве прототипа предлагаемого изобретения "способ".

Недостаток способа в том, что он не предназначен для роторов и сопловых колес турбин, у которых имеется наружный кольцевой венец. То есть в прототипе решается относительно упрощенная задача, требующая соответствующей конструкции обрабатываемых деталей.

Из патентного описания к европейской патентной заявке ЕР 8609743 В1 по классу В 23 Н 9/12 с приоритетом от 30.01.93 известен способ изготовления плоскости разъема в турбостроении. Из этого способа известно изготовление плоскости разъема в роторе турбины, который содержит кольцевой периферийный венец. В изобретении для обработки детали используют проволочный электрод. Это изобретение принимаем в качестве аналога предлагаемого изобретения.

Недостаток аналога в том, что из него не ясно, каким образом изготовить ротор (или сопловой блок) турбины, имеющей кольцевой периферийный венец.

Из АС СССР 506480 по классу МКИ4 В 23 Н 7/30, опубликованного 12.05.76 г. , известен станок для электроэрозионной обработки криволинейных каналов. Станок используется при производстве рабочих колес газовых турбин, сопловых секторов и других деталей с криволинейными каналами. В этом изобретении введен узел относительных взаимозависимых перемещений электрода-инструмента и обрабатываемой детали. В изобретении имеется электрододержатель, выполненный в виде вилки с закрепленными на ее базовых поверхностях электродами-инструментами. Это изобретение выбираем в качестве прототипа заявляемого изобретения "устройство".

Недостаток прототипа в том, что в нем узел относительных взаимозависимых перемещений электрода-инструмента и обрабатываемой детали выполнен механическим, что не позволяет обеспечить высокую точность обработки детали, к чему приводят механические допуски и погрешности в этом узле. Кроме того, выполнение электрододержателя в виде вилки с закрепленными на ее базовых поверхностях электродами-инструментами, охватывающими обрабатываемую деталь с двух сторон, делает проблематичным высокую точность обработки деталей значительного габарита.

Раскрытие изобретения.

В основу настоящего изобретения "способ" положена задача изготовления ротора или соплового блока турбины электроэрозионным способом с обеспечением высокой точности обработки деталей при высокой производительности и высокой степени автоматизации обработки. Эта задача является актуальной и диктуется соображениями совершенствования соответствующих узлов и деталей современного машиностроения и в особенности совершенствованием узлов и деталей в ракетном двигателестроении.

Сущность изобретения "способ" заключается в том, что электроэрозионную обработку ротора или соплового блока турбины с наружным кольцевым венцом или аналогичной, в известном смысле, детали ведут путем формообразования профиля лопаток за счет того, что профиль рабочих поверхностей электродов выполняют близким к заданному профилю лопаток. При электроэрозионной обработке заготовку закрепляют в рабочей камере станка, а обработку ведут с подачей напряжения на электрод и заготовку. Профиль лопаток определяют профилем межлопаточных каналов и, используя чертежи детали, получают электронно-цифровую модель межлопаточных каналов, при этом электронно-цифровым способом разбивают в поперечном направлении межлопаточные каналы на два полуканала - входной и выходной, разделяемые между собой электронно-цифровым способом поперечной поверхностью раздела, при необходимости разбивают эти полуканалы и продольными поверхностями раздела также электронно-цифровым способом на доли полуканалов, а затем, в соответствии с полученной электронно-цифровой моделью полуканалов и их долей, если таковые получены, на проволочном электроэрозионном станке изготавливают входные и выходные электроды для последующего изготовления на прошивном электроэрозионном станке соответственно входных и выходных полуканалов и соответствующих их долей, образующих полные каналы, после чего указанные электроды устанавливают на прошивном электроэрозионном станке разнонаправлено входными электродами по отношению к выходным электродам так, что проекции электродов на ось шпинделя станка вершинами направлены в противоположные стороны, например одни из них направлены вверх, а другие вниз; затем устанавливают и обрабатывают на прошивном электроэрозионном станке образец ротора или соответственно соплового блока турбины, последовательно электродами изготавливают на нем каналы, контролируют выполнение соответствующих размеров, после чего на станке вместо образца устанавливают заготовку ротора или соответственно соплового блока турбины, который обрабатывают электродами, причем обработку как образца, так и заготовки ротора или соответственно соплового блока турбины ведут в постоянном его положении относительно оси шпинделя станка (т.е. без переустановки) с осью, совпадающей или параллельной оси шпинделя станка, а при обработке на указанном прошивном электроэрозионном станке сначала обрабатывают по два входных и выходных полуканала на образце ротора или соответственно соплового блока турбины, затем контролируют качество изготовления каналов на образце, после чего образец на станке заменяют на ротор или соответственно сопловой блок турбины и производят изготовление каналов на роторе или соответственно сопловом блока турбины теми же электродами, что при обработке образца, причем перемещение электродов относительно образца и относительно ротора или соплового блока турбины производят по сложным траекториям, полученным электронно-цифровым методом и исключающим "зарезание" поверхностей окончательно изготовленного канала, а при переходе изготовления от входного полуканала к изготовлению выходного полуканала и наоборот изменяют направление составляющей рабочего хода электрода вдоль оси шпинделя относительно заготовки на противоположное.

В частном случае электроды для данного способа могут выполнять с припуском по поперечным поверхностям раздела, равным до 0,1 протяженности обрабатываемого канала. Возможно также, что электроды долей полуканалов по продольным поверхностям раздела изготавливают с перекрытием до 0,1 максимального размера сечения доли полуканала. При этом возможно, что в поле припуска электрода в месте ребер выполняют галтели или фаски.

Еще в одном частном случае для ротора турбины входные полуканалы разбивают электронно-цифровым способом на три доли входных полуканалов, по которым изготавливают три входных электрода, а по электронно-цифровой модели выходного полуканала изготавливают тоже три электрода, а затем указанными электродами в заданной последовательности ведут электроэрозионную обработку каналов образца ротора и самого ротора турбины.

В другом частном случае для соплового блока турбины входные полуканалы разбивают электронно-цифровым способом на две доли входных полуканалов, по которым изготавливают два входных электрода, а по электронно-цифровой модели выходного полуканала изготавливают один электрод, а затем указанными электродами в заданной последовательности ведут электроэрозионную обработку каналов образца соплового блока и самого соплового блока турбины.

В следующем частном случае особенность в том, что электроды обработки межлопаточных каналов образцов ротора и соплового блока, а также межлопаточных каналов ротора и соплового блока выполняют группами, одна для черновой, а другая - для чистовой обработки межлопаточных каналов.

При этом возможно, когда в группе для черновой обработки межлопаточных каналов используют электроды, выработавшие ресурс, на чистовой обработке этих каналов после проведения соответствующего контроля их размеров.

И в частном случае, при обработке ротора и соплового блока сначала обрабатывают все входные полуканалы образца ротора или соплового блока или входные каналы ротора или соплового блока, а уже затем обрабатывают все соответствующие выходные каналы.

И еще один частный случай способа электроэрозионной обработки ротора или соплового блока турбины заключается в том, что в качестве материала образца используют металл или сплав более легко поддающийся электроэрозионной обработке, чем материал ротора или соплового блока турбины, а в частном случае в качестве материала образца используют алюминиевый сплав.

Техническим результатом, достигаемым изобретением "способ", является создание эффективного технологического процесса электроэрозионной обработки деталей типа ротора или соплового блока турбины повышенной точности обработки.

В основу настоящего изобретения устройства поставлена задача повышения точности изготовления деталей типа ротора или соплового блока турбины. Это обеспечивается за счет сокращения величины технологических линейных размеров и зазоров, влияющих на точность размеров конструкции.

Заявляемое изобретение "устройство" представляет собой приспособление к прошивному электроэрозионному станку для осуществления способа, заключающегося в установке электродов на столе прошивного электроэрозионного станка. Приспособление содержит корпус и установленные и закрепленные в корпусе электроды. Характерной особенностью приспособления является то, что его корпус выполнен в виде кронштейна, содержащего крепящийся на столе подпятник, стойку и перекладину, на которой и установлены электроды, причем один - для обработки входных, а другой для обработки выходных полуканалов ротора или соплового блока турбины, причем проекции этих электродов на ось шпинделя станка своими вершинами направлены в противоположные стороны.

В частном случае устройства на корпусе приспособления подпятник кронштейна зафиксирован на столе станка с помощью прижимов и шпонки.

В другом частном случае для установки электрода в перекладине предусмотрены для каждого электрода два отверстия, предназначенные для установки штифтов.

Техническим результатом осуществления изобретения "устройство" является повышение точности обработки межлопаточных каналов деталей типа ротор или сопловой блок турбины при обеспечении высокой чистоты обработки детали и технологичности процесса изготовления.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 представлена блок-схема технологического процесса электроэрозионной обработки из заготовки ротора (или соплового блока) турбины.

На фиг.2 - продолжение блок-схемы, изображенной на фиг.1.

На фиг. 3 - установка ротора турбины на прошивном элсктроэрозионном станке.

На фиг.4 - разрез Ю-Ю (см. фиг.3) по корпусу в виде кронштейна со снятыми электродами как приспособление для прошивного станка.

На фиг.5 - cечение Ш-Ш (см. фиг.3).частей лопатки ротора и межлопаточных каналов, прошитых первым (входным) электродом 5.

На фиг.6 - cечение Ш-Ш (см. фиг.3) частей лопатки ротора и межлопаточных каналов, прошитых вторым и третьим (выходными) электродами 6 и 7.

На фиг.7 - cечение Ш-Ш (см. фиг.3) частей лопатки ротора и межлопаточных каналов, прошитых четвертым и пятым (выходными) электродами 8 и 9.

На фиг.8 - cечение Ш-Ш (см. фиг.3) частей лопатки ротора и мeжлопаточных каналов, прошитых шестым (выходным) электродом 10.

На фиг. 9 дано сечение М-М (см. фиг.6) в месте изготовления межлопаточного канала вторым и третьим электродами.

На фиг.10 - схема установки и обработки соплового блока турбины на прошивном электроэрозионном станке.

Пример реализации изобретений.

Сущность заявляемого способа электроэрозионной обработки ротора или соплового блока турбины с наружным кольцевым венцом заключается прежде всего в том, что в начале по имеющимся чертежам строят электронно-цифровую модель межлопаточных каналов ротора. Это видно также из представленной на фиг.1 и 2 блок-схемы технологического процесса электроэрозионной обработки ротора турбины (далее под термином ротор турбины мы будем подразумевать и сопловой блок и любую другую обрабатываемую деталь с криволинейными каналами в принципе, аналогичную рассматриваемому ротору).

После изготовления технологической оснастки для электроэрозионных станков на проволочном электроэрозионном станке по электронно-цифровой модели изготавливают соответствующие комплекты электродов. На основании чертежа ротора турбины и изготовленных электродов электронно-цифровым способом определяют зависимость движения электрода от движения заготовки на станке.

В случае, когда требуется производить как черновую, так и чистовую обработку изготавливают комплекты как черновых, так и чистовых электродов. Возможна обработка каналов сразу чистовыми электродами; тогда только их и изготавливают, как рассмотрено в представляемом примере. Электроды устанавливают на прошивном электроэрозионном станке, как показано на фиг.3 в приспособлении, где 1 - стол прошивного электроэрозионного станка, на котором установлено приспособление 2 для электродов, а на шпиндельной головке 3 станка установлен образец ротора 4 (заменяемый в технологическом процессе на ротор). Сечение Ю-Ю приспособления для электродов представлено на фиг 4.

Обработка каналов на прошивном электроэрозионном станке показана на фиг. 5-8, соответствующими изменениями сечения Ш-Ш (см. фиг.3) при обработке входными и выходными электродами. На фиг.5 показана обработка поверхностей АВ и CD лопатки входного полуканала первым входным электродом (5). На фиг.6 показана обработка вторым и третьим входными электродами (6 и 7) корыта ВС лопатки. На фиг.7 показана обработка спинки АЕ лопатки выходными электродами четвертым (8) и пятым (9). А на фиг.8 показана обработка выходного кончика ED лопатки шестым выходным электродом (10).

Таким образом, линиями А и D (которые могут быть не обязательно прямыми и в сечении на фиг.5-8 каждая из этих линий показана только точкой) определяется поверхность раздела входного 11 и выходного 12 полуканалов, пересекающая лопатку только по этим линиям. В принципе возможно касание поверхностью раздела профиля лопатки. Полученный профиль лопатки 13 в сечении Ш-Ш показан на фиг.8. В направлении вдоль профиля лопатки 13 выполнены остальные поверхности электродов 5, 6, 7, 8, 9, 10, обеспечивая свободное прохождение поочередно электродов в обрабатываемые полуканалы 11, 12 в процессе обработки и исключая "зарезание" электродами поверхностей профиля лопатки.

Входные электроды 5, 6, 7 относительно 8, 9, 10 могут быть изготовлены с припуском, до 0,1L по поперечным поверхностям раздела, условно обозначенным на фиг.8 линиями 14 и 15, где за L обозначена протяженность обрабатываемого канала (см. фиг. 8). Изготовлениe электродами 6 и 7 корыта ВС лопатки 13 осуществляется последовательно, как показано на фиг.9. Аналогичным образом осуществляется изготовление спинки АЕ лопатки 13 электродами 8 и 9.

Следует отметить, что в точках сопряжения каналов (а также лопатки) А, В, С, D, Е изготовление поверхностей электродами может осуществляться с перекрытием в этих точках на длине до 0,1 протяженности канала L (см. фиг.8).

Для повышения качества обработки канала и лопатки в местах сопряжения поверхностей, обрабатываемых разными электродами, могут быть изготовлены галтели или фаски 16.

После изготовления образца (4) на прошивном электроэрозионном станке заменяют образец на заготовку детали-роторa (см. фиг.3) и производят обработку заготовки ротора аналогично обработке заготовки образца с помощью шпинделя 3, меняя положение детали для обработки последующих каналов (лопаток) турбины.

Аналогичным образом производится обработка соплового блока 17 турбины, что изображено на фиг.10, где 1 - стол прошивного электроэрозионного станка, 3 - шпиндель прошивного электроэрозионного станка, на нем установлены электроды 18 и 19. Входной полуканал соплового блока 17 обрабатывают двумя электродами 18, а выходной канал соплового блока 17 обрабатывают одним электродом 19. Следует отметить, что при обработке как ротора, так и соплового блока турбины электроды, благодаря перемещению стола и шпинделя, перемещаются по сложным кривым, полученным электронно-цифровым способом, обеспечивающим сложную конфигурацию каналов и лопаток турбины.

Благодаря тому, что при обработке входных и выходных каналов и наоборот изменяют на противоположное направление составляющей рабочего хода электрода вдоль оси шпинделя заготовки, обеспечивается повышенная точность обработки изготавливаемых деталей. Дополнительные особенности технологического процесса видны также из фиг.1 и 2.

Пример осуществления изобретения "устройство" в виде приспособления к прошивному электроэрозионному станку, представленное на фиг.3 и 4, заключается в следующем.

На стол 1 этого станка устанавливается это приспособление 2. Его корпус выполнен в виде кронштейна, содержащего стойку 20, подпятник 21 и перекладину 22. На перекладине 22 закреплены электроды 23 и 24, своими вершинами 25 и 26 направленные в разные стороны таким образом, что проекции этих электродов на ось шпинделя станка своими вершинами (25 и 26) направлены в противоположные стороны. Такое расположение электродов при обработке одного канала и введение их фактических координат с точностью до 0,02 мм обеспечивает повышенную точность его обработки по сравнению со случаями, когда такой канал обрабатывают, используя копировальные приспособления и переустановку обрабатываемой детали. Приспособление снабжено шпонкой 27 и прижимами 28, обеспечивающими крепление подпятника 21 к столу станка 1. Приспособление снабжено также выполненными в перекладине 22 двумя отверстиями 29 (см. фиг.4), в которые установлены штифты 30, фиксирующие точное положение электродов 25, 26 в корпусе 2 (на фиг.4 электроды не показаны). Проекции электродов 23 и 24 на ось шпинделя 3 своими вершинами 25 и 26 направлены в противоположные стороны. При работе вначале входными электродами на станке выполняют входные полуканалы 11 поочередно тремя электродами 5, 6, 7 (т.е. 23) на всех каналах образца (например, на двух каналах), а затем выходными электродами 8, 9, 10 (т. е. 24) изготавливают поочередно выходные полуканалы 12. Затем заменяют образец на ротор и аналогичным образом изготавливают ротор турбины, в необходимых случаях меняя угловое положение ротора 4 турбины путем поворота шпинделя на соответствующий угол. Готовую деталь снимают со станка и подвергают контролю.

Промышленная применимость.

Изобретение готово к промышленному использованию и используется для изготовления соответствующих деталей.

Формула изобретения

1. Способ электроэрозионной обработки ротора или соплового блока турбины с наружным кольцевым венцом, заключающийся в том, что заготовку ротора или соплового блока закрепляют в рабочей камере по предварительно обработанным базовым поверхностям и ведут формообразование электродами-инструментами и с подачей напряжения на электрод и заготовку при прокачке электролита через промежуток между электродом и заготовкой, при этом профиль рабочих поверхностей электродов выполняют близким к заданному профилю лопатки ротора или соплового блока, отличающийся тем, что до электроэрозионной обработки по чертежам детали получают электронно-цифровую модель межлопаточных каналов, определяющих профиль лопатки, электронно-цифровым способом разбивают в поперечном направлении каждый из межлопаточных каналов на два полуканала - входной и выходной - разделяемых между собой поперечной поверхностью раздела, а затем, в соответствии с полученной электронно-цифровой моделью полуканалов на проволочном электроэрозионном станке изготавливают входные и выходные электроды для последующего изготовления на прошивном электроэрозионном станке соответственно входных и выходных полуканалов, образующих полные каналы, после чего полученные электроды устанавливают на прошивном электроэрозионном станке разнонаправлено входными электродами по отношению к выходным электродам так, что проекции электродов на ось шпинделя станка вершинами направлены в противоположные стороны, затем устанавливают и обрабатывают на прошивном электроэрозионном станке образец ротора или соплового блока турбины, для чего последовательно электродами сначала обрабатывают по два входных и выходных полуканала, затем контролируют качество изготовления каналов на образце, после чего образец на станке заменяют на заготовку и производят изготовление в ней каналов теми же электродами, что при обработке образца, причем обработку как образца, так и заготовки ведут в постоянном его положении относительно оси шпинделя станка с осью совпадающей или параллельной оси шпинделя станка, а перемещение электродов относительно образца и относительно заготовки производят по сложным траекториям, полученным электронно-цифровым методом, и при переходе изготовления от входного полуканала к изготовлению выходного полуканала и наоборот изменяют направление составляющей рабочего хода электрода вдоль оси шпинделя относительно заготовки на противоположное.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при необходимости разбивают полуканалы продольными поверхностями раздела электронно-цифровым способом на доли полуканалов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что электроды для обработки поперечных поверхностей раздела выполняют с припуском, равным до 0,1 протяженности обрабатываемого канала.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что электроды долей полуканалов для обработки продольных поверхностей раздела изготавливают с перекрытием до 0,1 максимального размера сечения доли полуканала.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при обработке ротора турбины по электронно-цифровой модели входные полуканалы разбивают электронно-цифровым способом на три доли входных полуканалов, а выходные - на три доли выходных полуканалов, по которым изготавливают три входных и три выходных электрода, а затем указанными электродами в заданной последовательности ведут электроэрозионную обработку каналов образца и заготовки ротора турбины.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для соплового блока турбины по электронно-цифровой модели входные полуканалы разбивают электронно-цифровым способом на две доли входных полуканалов, по которым изготавливают два входных электрода, и один электрод для выходного полуканала, а затем указанными электродами в заданной последовательности ведут электроэрозионную обработку каналов образца и заготовки соплового блока турбины.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что электроды обработки межлопаточных каналов образцов, а также межлопаточных каналов заготовки выполняют группами, одна для черновой, а другая для чистовой обработки межлопаточных каналов.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в группе для черновой обработки межлопаточных каналов используют электроды, выработавшие ресурс на чистовой обработке этих каналов после проведения соответствующего контроля их размеров.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что при обработке образца и заготовки сначала обрабатывают все входные полуканалы образца или входные каналы заготовки, а уже затем обрабатывают соответственно все выходные полуканалы.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала образца используют металл или сплав, более легко поддающийся электроэрозионной обработке, чем материал ротора или соплового блока турбины.

11. Способ по п.1 или 10, отличающийся тем, что в качестве материала образца используют алюминиевый сплав.

12. Приспособление для установки электродов на столе прошивного электроэрозионного станка, содержащее корпус и закрепленные в нем электроды, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде кронштейна, содержащего крепящийся на столе станка подпятник, стойку и перекладину, на которой установлены электроды, своими вершинами направленные в противоположные стороны, причем один для обработки входных, а другой для обработки выходных полуканалов ротора или соплового блока турбины.

13. Приспособление по п.12, отличающееся тем, что подпятник кронштейна зафиксирован на столе станка с помощью прижимов и шпонки.

14. Приспособление по п.12, отличающееся тем, что для установки электрода в перекладине предусмотрены для каждого электрода по два отверстия, предназначенные для установки штифтов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10