Voronezh, Voronezh, Russian Federation
UDK 621.9.047 Химическая и электрохимическая обработка
The article discusses the design and purpose of a turbopump unit, in particular the pump housing of a turbopump unit of a liquid rocket engine. A device and a tool for obtaining complex profile holes in the housings of turbopump units are presented. The features of the design of techno-logical equipment for electrical discharge machining are considered. The proposed progressive design of the device and tool made it possible to process the parts of the turbopump unit of a liquid rocket engine with special holes.
TECHNOLOGY, ELECTROEROSION TREATMENT, UNIT, HOUSING, TOOL, PART, DEVICE.
1 Состояние исследования и актуальность работы
В конструкциях современных жидкостных ракетных двигателей используются турбонасосные агрегаты, предназначенные для подачи компонентов топлива из баков ракетоносителя в камеру двигателя. Основным элементом привода турбонасосного агрегата является газовая турбина, которая устанавливается в специальный корпус. Работа агрегатов двигателя происходит на высоких температурах, что требует большого внимания. В конструкции корпуса используются каналы с высокими требованиями к точности геометрических размеров и посадочных диаметров. Входной канал корпуса насоса представляет собой штуцер с уплотнительным отверстием, за которым располагается коническое отверстие, плавно переходящее в отверстие квадратного сечения. В соответствии с требованиями нормативной документации на внутренних поверхностях корпуса не допускаются трещины, зазубрины и прочие дефекты. Отверстие квадратного сечения, в соответствии с нормативной документацией должно иметь поверхность с шероховатостью Ra 0,8 мкм. Нестандартная форма отверстия требует специального подхода к проектированию сложнопрофильного инструмента и средств технологического оснащения для обработки детали. Решение данной задачи является актуальным для Конструкторского бюро Химавтоматики – одного из крупнейших предприятий России, занимающегося производством жидкостных ракетных двигателей.
2 Материалы и методы
В связи с тем, что работа агрегатов двигателя осуществляется при высоких температурах, корпус насоса турбонасосного агрегата изготавливается из жаропрочного труднообрабатываемого сплава ХН55 и предназначен для установки в него рабочих деталей узла турбонасосного агрегата. Общий вид конструкции корпуса турбонасосного агрегата представлен на рисунке 1, а.
Выбор технологии обработки корпусных деталей, в первую очередь, зависит от требований к поверхности обрабатываемой детали, материала заготовки, возможностей оборудования и инструмента [1]. На рис. 1, б показано сечение отверстия вводного канала турбонасосного агрегата, имеющее квадратное сечение со скруглениями в углах. С целью обеспечения требований нормативной документации к детали разработана прогрессивная технология обработки поверхностей с применением электроэрозионной обработки.
а б
а – общий вид; б – сечение вводного канала
Рисунок 1 – Корпус насоса турбонасосного агрегата
Электроэрозионный метод позволяет без дефектов выполнять обработку отверстия квадратного сечения. При обработке данного отверстия возможно оплавление кромок поверхности корпуса, что является недопустимым. Метод реализуется совокупностью физико-химических процессов, сопровождающих электрический разряд в жидкой диэлектрической среде, при протекании которых происходит изменение геометрических размеров токопроводящей заготовки. Во время обработки между инструментом-электродом и заготовкой формируется зона с высокой температурой. При этом происходит локальное разрушение (плавление и испарение) нагретого материала. Гидравлические и механические процессы в зоне обработки обеспечивают удаление обработанного материала [2, 3].
Следующим этапом является обработка электрохимическим методом, что позволяет исключить возможные дефекты поверхностного слоя, образованные при предварительном прожиге отверстия. В процессе электрохимической обработки происходит изменение формы или шероховатости поверхности заготовки за счет анодного растворения материала в электролите под действием электрического тока [4, 5].
С целью обеспечения требований нормативной документации к детали, разработана прогрессивная технология обработки поверхностей с применением электроэрозионной обработки.
1. Technologist's Handbook (reference edition) / under. ed. Suslova A. G. // M. : Innovative engineering, 2019. - 800 p.
2. Smolentsev E. V. Design of electrical and combined processing methods. M. Engineering. 2005. - 511 p.
3. Electrophysical and electrochemical methods of material processing. In 2 volumes / Ed. V.P. Smolentsev. M: Higher School, 1983.
4. Combined processing methods / V. P. Smolentsev, A. I. Boldyrev, A. V. Kuzovkin, G. P. Smolentsev, A. I. Chasovskikh. Voronezh: VSTU, 1996. - 168 p.
5. Smolentsev, V. P. Influence of electrochemical dimensional processing on the physical and mechanical characteristics of metals. Electrochemical processing of metals. Sat. scientific tr. Kishinev: Shtiintsa, 1972.
6. Sulima, A. M., M. I. Evstigneev, Quality of the surface layer and fatigue strength of parts from heat-resistant and titanium alloys. M. : Mashinostroenie, 1974.
7. Science-based technologies creation based on combined processing methods for fabrication aerospace filters / A. Yu. Ryazantsev, A. A. Shirokozhukhova, V. G. Gritsyuk // Materials Today: Proceedings, 19 (2019), 2065-2067. DOI:https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.075.
8. Innovative Methods For Obtainig Artificial Roughness On The Surfaces Of Heat-Loaded Parts Of The Liquid Rocket Engines Combustion Chamber / A. Yu. Ryazantsev, A. A. Shirokozhukhova, Yukhnevich S. S. // AIP Conference Proceedings 2318, 030004 (2021) ; https://doi.org/10.1063/5.0035987.
9. Micro electrical discharge machining single discharge temperature field simulation / Z. L. Peng, Y. N. Li, D. Fang, Y. Y. Zhang. - USA : JCPRC5, 2013. - P. 859-864.
10. Jiajing Tang, Xiaodong Yang. A Thermo-hydraulic Modeling for the Formation Process of the Discharge Crater in EDM // 18th CIRP Conference ISEM XVIII. - 2016. - No. 42. - P. 685-690.
11. State and prospects for the development of combined processing methods / Smolentsev V. P., Smolentsev E. V. // Bulletin of the Rybinsk State Aviation Technological Academy. P. A. Solovyova. 2017. No. 2 (41). - P. 5-9.
12. Ablyaz, T. R. Study of changes in the properties of electrodes depending on the modes of wire-cut EDM. Vestnik PSTU. Mechanical engineering, materials science. - 2011. - T. 13. - No. 1. - P. 87-93.
13. Obara N. Detection of Discharging Position on WEDM // Proceedings of 10th ISEM, 1992 - p. 404-409.
14. Uman Maradia. Meso-Micro EDM : diss. Dr. sc. ETH Zurich No. 22024. - Zurich, 2014. - 246 p.
15. Matthias Hackert-Oschatzchen. Single Discharge Simulations of Needle Pulses for Electrothermal Ablation. - Rotterdam: COMSOL Conference, 2013. - P. 1-5.
16. Weingartner E., Kuster F., Wegener K. Modeling and simulation of electrical discharge machining // 1st CIRP Global Web Conference. - 2012. - No. 2. - P. 74-78.
17. Chander Parkash Khatter Analysis of surface integrity in electrical discharge machining (EDM) process for tungsten carbide material : dis. Ph. D. - Patiala, India, 2010.
18. Ablyaz, T. P., Shlykov, E. S., and Kremlev, S. S., Application of coated electrodes for electroerosive machining of steel 38Kh2N2MA, STIN. - 2017. - No. 5. - P. 20-21.
19. Ablyaz, T. N., Shlykov, E. S., Borisov, A. A., Shumkov, I. Yu., Empirical modeling of the interelectrode during electroerosive machining of steel 38Kh2N2MA, Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanical engineering, materials science. - 2017. - T. 19, No. 2. - P. 67-79.
20. Kuts, V. V. Study of the process of making holes with a hollow electrode on a modernized CNC EDM machine / V. V. Kuts, M. S. Razumov, D. A. Zubkov, A. S. Byshkin, A. A. Nestruev / / News of the Tula State University. Technical science. 2020. No. 3. - P. 395-402.
