| Аннотация |
Проект направлен на решение технологической проблемы отечественного авиадвигателестроения, заключающейся в потребности отрасли в российских средствах производства ответственных деталей газотурбинных двигателей (ГТД) – лопаток и моноколес на основе электрохимической размерной обработки (ЭХРО), обеспечивающей передовую точность геометрии (не хуже 0,02 мм) при производительности в 3-5 выше в сравнении с механическим фрезерованием, что позволит сделать качественный скачок в массовом производстве российских ГТД для гражданской авиации и беспилотных летательных аппаратов.
Решение технологической проблемы отрасли неразрывно связано с решением научной проблемы повышения эффективности и качества электрохимической размерной обработки сложнопрофильных деталей ГТД из трудноподдающихся материалов – титановых и никель-хромовых сплавов. Такие сплавы обладают высокой прочностью и коррозионной стойкостью, но их обработка традиционными методами затруднена из-за повышенной прочности и химической инертности. Необходимы новые научно-технические подходы для высокоскоростного анодного растворения указанных сплавов и электрополирования их поверхности, обеспечивающие минимальную шероховатость, высокую точность обработки и улучшенную коррозионную стойкость. Необходимо математическое моделирование процессов в межэлектродном зазоре и установление закономерностей формообразования в условиях повышенных требований по точности обработки сложнопрофильных деталей, таких, как лопатки и моноколеса ГТД. Необходима разработка алгоритмов интеллектуального управления многокоординатным электрохимическим станком, учитывающих текущее состояние объекта управления и прогнозирующих результаты обработки. Результаты исследований должны быть интегрированы в эталонную модель объекта управления в составе системы ЧПУ станка для реализации высокопроизводительной технологии электрохимической размерной обработки деталей ГТД из титановых и жаропрочных никель-хромовых сплавов.
Для достижения поставленной цели в проекте предложен комплекс технических решений. Проведение фундаментальных исследований электрохимического поведения титановых и никель-хромовых сплавов методами потенциодинамической поляризации и гравиметрии, а также электрохимической импедансной спектроскопии, чтобы выявить кинетические закономерности анодного растворения и определить оптимальные режимы, позволяющие ускорить съем металла без пассивации поверхности. Применение импульсного режима ЭХРО с высокими плотностями тока, основанного на чередовании кратковременных анодных импульсов и пауз, способствует интенсификации растворения и предотвращает перегрев и пассивацию анода. Будут разработаны оптимальные составы многокомпонентных электролитов – для титановых сплавов и для никель-хромовых сплавов, которые обеспечат высокую скорость растворения при одновременном повышении выхода по току и качества поверхности. Планируется создание математической модели процесса ЭХРО, учитывающей распределение электрического поля и эволюцию состава электролита в межэлектродном зазоре, что позволит оптимизировать геометрию инструмента и режимы обработки для достижения требуемой точности. Полученные модели будут включены в состав эталонной модели процесса ЭХРО в составе системы адаптивного ЧПУ. будет разрабатываться алгоритмическое и программное обеспечение системы ЧПУ прототипа станка. Будет проведен анализ электрических характеристик процесса ЭХРО: осциллограмм тока и напряжения, а также давления и температуры электролита в межэлектродном зазоре, концентрации ионов и других параметров. Будут построены многомасштабные модели процесса, что связано с разной скоростью протекания процессов: формообразование идет со скоростью микрометров в минуту, а импульсы тока и напряжения имеют развертку в микросекундном диапазоне. В настоящее время не решена проблема нахождения функции свертки быстроизменяющихся электрических характеристик в медленно изменяющиеся интегральные параметры процесса электрохимической размерной обработки лопаток и моноколес ГТД из титановых и жаропрочных сплавов. Поэтому данная проблема будет решаться методами статистического спектрального анализа, корреляционного анализа, Байесовской регуляризацией при решении обратной задачи управления на основе инверсных нейросетевых моделей. Разработанная многомасштабная модель процесса ЭХРО позволит предложить и обосновать структуру адаптивной системы управления прототипом станка, обеспечивающей точное формообразование деталей, идентификацию нахождения параметров на рабочей траектории в пространстве состояний в пределах допуска, диагностику их выхода за рабочие пределы, предотвращая появление брака при изготовлении ответственных деталей. Применение данных подходов позволит создать систему ЧПУ, обеспечивающую достижение поставленных в техническом задании численных характеристик точности и производительности прототипа станка. Проектирование технического облика станка, разработка конструкторской и технологической документации будет проводиться с учетом современного уровня техники, определяемого по результатам патентного поиска. Будут проанализированы компоновки станков для изготовления лопаток и других деталей ГТД, проведены расчеты на прочность конструкции и на технологичность изготовления. Ответственные узлы, выпускаемые серийно (прецизионные приводы, импульсные источники питания) будут закупаться у российских поставщиков.
Разработанная электрохимическая технология обеспечит высокие количественные показатели. Скорость съема металла при анодном растворении будет достигать не менее 0,5 мм³/с в оптимальном режиме, что эквивалентно плотности тока порядка 50–100 А/дм² при выходе по току около 90%. Эффективность процесса (выход по току η) в основных режимах составит 85–95. После электрохимической обработки поверхность деталей будет обладать низкой шероховатостью: для титановых сплавов Ra ≤ 0,3 мкм, для никель-хромовых сплавов Ra ≤ 0,2 мкм. Предлагаемая технология позволит повысить коррозионную стойкость: скорость коррозии титановых сплавов в агрессивной среде (например, 3% NaCl) не будет превышать 0,01 мм/год, а для жаропрочных никель-хромовых сплавов время до появления первых признаков точечной коррозии увеличится минимум в 1,5 раза по сравнению с необработанной поверхностью.
Результаты проекта найдут применение в ряде высокотехнологичных отраслей. В первую очередь, разработанная технология будет внедрена в авиадвигателестроении для изготовления деталей газотурбинных двигателей: лопаток и моноколес компрессора из титановых сплавов и лопаток турбины из жаропрочных никель-хромовых сплавов. Использование электрохимической обработки вместо трудоёмкой механической позволит повысить точность геометрии сложных профилей лопаток и снизить их склонность к коррозионному растрескиванию. Также технология может быть распространена на предприятия, изготавливающие лопаточные турбомашины: ГТД для наземной газоперекачивающей техники, ГТД для корабельной техники, паровые турбины для электростанций. Технология также может быть востребована в химическом машиностроении – для изготовления коррозионностойкого оборудования, в первую очередь, турбин насосов из хромоникелевых сплавов. Таким образом, результаты проекта имеют межотраслевое значение и могут быть реализованы как непосредственно в производстве (новые технологические процессы на заводах), так и опосредованно – через улучшение характеристик конечной продукции (более надежные двигатели, оборудование).
|
