Способ электрополирования металлической детали

Изобретение относится к области электрополирования металлических деталей, в частности лопаток турбомашин из титановых сплавов, и может быть использовано в турбомашиностроении при полировании лопаток паровых турбин, газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей. Способ включает заполнение электропроводящими гранулами рабочего контейнера, закрепление детали на держателе, погружение детали в электропроводящие гранулы, заполняющие рабочий контейнер и выполненные в виде пористых гранул из сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола, поры которых заполнены электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы, подключение детали к аноду, а гранул к катоду, и полирование до получения заданной шероховатости поверхности детали, при этом в процессе полирования обеспечивают колебательные движения гранул во всем объеме рабочего контейнера. Технический результат: повышение качества и однородности обработки поверхности деталей. 12 з.п. ф-лы, 1 пр.

 

Изобретение относится к способам электрополирования металлических деталей, в частности лопаток турбомашин из титановых сплавов и может быть использовано в турбомашиностроении при полировании лопаток паровых турбин, газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей.

Для изготовления лопаток турбомашин применяются титановые сплавы, которые по сравнению со стальными лопатками обладают более высокой прочностью, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

Однако лопатки турбомашин из титановых сплавов 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].

Известен также способ полирования металлических поверхностей, включающий погружение детали в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала [Патент РФ №2373306, МПК C25F 3/16. Бюл №32, 2009].

Известные способы электрохимического полирования не позволяют производить качественное полирование поверхности деталей из титановых сплавов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению 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]. Причем взаимодействие обрабатываемой поверхности детали с гранулами обеспечивается за счет постоянного трения детали о гранулы и полирование до получения заданной шероховатости поверхности детали.

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

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества обработки и надежности процесса полирования деталей за счет обеспечения равномерного взаимодействия гранул с поверхностью обрабатываемой детали.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества и однородности обработки поверхности деталей.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе электрополирования металлической детали, включающем заполнение электропроводящими гранулами рабочего контейнера, закрепление детали на держателе, погружении детали в электропроводящие гранулы, заполняющие рабочий контейнер и выполненные в виде пористых гранул из сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола, поры которых заполнены электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы, подключении детали к аноду, а гранул к катоду, и полирование до получения заданной шероховатости поверхности детали, в отличие от прототипа в процессе полирования обеспечивают колебательные движения гранул во всем объеме рабочего контейнера.

Кроме того возможно использование следующих дополнительных приемов: используют рабочий контейнер установки выполненный из электропроводного материала, а подключение гранул к катоду производят за счет их контакта с поверхностью контейнера; подключение гранул к катоду производят за счет их контакта с поверхностью по крайней мере одного электрода, погруженного в гранулы, но не соприкасающегося с поверхностью обрабатываемой детали; колебательные движения гранул, обеспечивают вибрацией контейнера, причем контейнер совершает колебательные движения в двух плоскостях с частотой от 15…40 кГц, амплитудой от 2 до 8 мм; в качестве гранул используют, либо сферические частицы диаметром от 0,4 до 1,2 мм, либо овальные частицы размерами от 0,3 до 1,4 мм; полирование осуществляют в среде аргона, а в качестве детали используют лопатку 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; в процесс полирования производят относительное движение обрабатываемой детали и рабочего контейнера; в качестве относительного движения обрабатываемой детали и рабочего контейнера используют либо вращение, либо колебательное движение, либо возвратно-поступательное движение, либо их сочетания; полирование проводят при плотности тока 0,2-10 А/см².

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

Заявляемый способ электрополирования деталей осуществляется следующим образом. Обрабатываемую деталь закрепляют на держателе изделий погружают в контейнер с электропроводящими, прикладывают к обрабатываемой детали положительный электрический потенциал (анод), а к гранулам-отрицательный (катод), придают гранулам колебательное движение по одному из выбранных режимов (колебательные движения в двух плоскостях с частотой от 15…40 кГц, амплитудой от 2 до 8 мм). При этом колебательные движения гранул могут быть созданы за счет колебательных движений рабочего контейнера. Процесс полирования может осуществляться при плотности тока 0,2-10 А/см². В качестве гранул 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 из материала, обеспечивающего заполнение пор электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы, например, гранулы выполненные из сульфированный сополимер стирол-дивинилбензола. Полирование может осуществляться в среде аргона, особенно при полировании деталей из титана и титановых сплавов, в частности лопаток турбины. При полировании деталей 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 обрабатываемой детали и рабочего контейнера либо в режимах вращения, колебательного движения, возвратно-поступательного движения, либо их сочетания. Процесс полирования осуществляют до получения заданной величины шероховатости поверхности детали.

Колебательные движения гранул позволяют обеспечить равномерное воздействие на всю обрабатываемую поверхность детали и тем самым повысить ее качество и однородность. Кроме того, за счет создание однородных условий для всего объема гранул обеспечивается равномерное протекание электрических процессов, в частности ионного переноса при обработки детали. Использование только взаимного перемещения детали и гранул не может обеспечить равномерности из-за разности скоростей взаимодействия поверхности детали с гранулами (например, при простом вращении детали в среде гранул, когда линейная скорость относительного движения между гранулами и деталью, в зависимости от удаления от центра вращения детали до ее периферии).

При осуществлении способа происходят следующие процессы. При колебании массы гранул происходят их столкновения с обрабатываемой поверхностью детали (бомбардировка поверхности). 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 сложнопрофильные детали из титанового сплава марки ВТ9. Обрабатываемые образцы погружали контейнер с пористыми сферическими гранулами размерами от 0,6 до 0,8 мм, выполненными из сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола. Полирование производили в среде аргона. 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 непрерывном колебательном движении гранул амплитудой 22 кГц. Процесс полирования проводили при плотности тока 1,8 А/см².

Условия обработки по способу-прототипу [WO 2017186992] были следующие. Взаимодействие детали и гранул за счет вращения детали в объеме гранул. Обрабатываемые образцы погружали контейнер с пористыми сферическими гранулами размерами от 0,6 до 0,8 мм, выполненными из сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола. Полирование производили в среде аргона. 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 0,13 мкм до Ra 0,22 мкм, для обработанных по предлагаемому способу от Ra 0,12 мкм до Ra 0,16 мкм.

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. Колебательное движение гранул - удовлетворительный результат (У.Р.), обеспечение только трения гранул о поверхность обрабатываемой детали неудовлетворительный результат (Н.Р.). Колебательные движения в двух плоскостях с частотой: 12 кГц (Н.Р.), 15 кГц (У.Р.), 25 кГц (У.Р.), 30 кГц (У.Р.), 35 кГц (У.Р.), 40 кГц (У.Р.), 45 кГц (Н.Р.).

Амплитуда колебаний гранул: 1 мм (Н.Р.), 2 мм (У.Р.), 4 мм (У.Р.), 8 мм (У.Р.), 10 мм (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.).

Улучшение качества электрополирования деталей по предлагаемому способу, во всех проведенных случаях обработки указывает на то, что использование способа электрополирования детали, включающего следующие признаки: заполнение электропроводящими гранулами рабочего контейнера; закрепление детали на держателе; погружении детали в электропроводящие гранулы, заполняющие рабочий контейнер; использование пористых гранул из материала, обеспечивающего заполнение пор электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы; использование в качестве материала гранул сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола; закрепление детали на держателе, погружении детали в электропроводящие гранулы, заполняющие рабочий контейнер; подключении детали к аноду, а гранул к катоду; полирование до получения заданной шероховатости поверхности детали; обеспечение в процессе полирования колебательных движений гранул во всем объеме рабочего контейнера; использование рабочего контейнера установки выполненного из электропроводного материала; подключение гранул к катоду за счет их контакта с поверхностью контейнера или за счет их контакта с поверхностью по крайней мере одного электрода, погруженного в гранулы, но не соприкасающегося с поверхностью обрабатываемой детали; обеспечение колебательных движений гранул вибрацией контейнера при совершении контейнером колебательных движений в двух плоскостях с частотой от 15…40 кГц, амплитудой от 2 до 8 мм; использование в качестве гранул, либо сферических частиц диаметром от 0,4 до 1,2 мм, либо овальных частиц размерами от 0,3 до 1,4 мм; осуществление полирования в среде аргона и использование в качестве детали лопатки турбины из титанового сплава, а в качестве электролита водного раствора смеси NH₄F и KF при содержании NH₄F - от 5 до 15 г/л и KF - от 30 до 50 г/л; произведение в процессе полирования относительного движения обрабатываемой детали и рабочего контейнера; использование в качестве относительного движения обрабатываемой детали и рабочего контейнера либо вращения, либо колебательного движения, либо возвратно-поступательного движения, либо их сочетания; проведение полирования при плотности тока от 0,2-10 А/см², позволяют достичь технического результата заявляемого способа - повышение качества и однородности обработки поверхности деталей.

1. Способ электрополирования металлической детали, включающий заполнение электропроводящими гранулами рабочего контейнера, закрепление детали на держателе, погружение детали в электропроводящие гранулы, заполняющие рабочий контейнер и выполненные в виде пористых гранул из сульфированного сополимера стирол-дивинилбензола, поры которых заполнены электролитом без образования пленки электролита на внешней поверхности гранулы, подключение детали к аноду, а гранул к катоду, и полирование до получения заданной шероховатости поверхности детали, отличающийся тем, что в процессе полирования обеспечивают колебательные движения гранул во всем объеме рабочего контейнера.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют рабочий контейнер установки, выполненный из электропроводного материала, а подключение гранул к катоду производят за счет их контакта с поверхностью контейнера.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подключение гранул к катоду производят за счет их контакта с поверхностью по крайней мере одного электрода, погруженного в гранулы, но не соприкасающегося с поверхностью обрабатываемой детали.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что колебательные движения гранул обеспечивают вибрацией контейнера, причем контейнер совершает колебательные движения в двух плоскостях с частотой от 15…40 кГц, амплитудой от 2 до 8 мм.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в качестве гранул используют либо сферические частицы диаметром от 0,4 до 1,2 мм, либо овальные частицы размерами от 0,3 до 1,4 мм.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что полирование осуществляют в среде аргона, а в качестве детали используют лопатку 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.

7. Способ по любому из пп. 1-3, 6, отличающийся тем, что в процесс полирования производят относительное движение обрабатываемой детали и рабочего контейнера.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в процессе полирования производят относительное движение обрабатываемой детали и рабочего контейнера.

9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в качестве относительного движения обрабатываемой детали и рабочего контейнера используют либо вращение, либо колебательное движение, либо возвратно-поступательное движение, либо их сочетания.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в качестве относительного движения обрабатываемой детали и рабочего контейнера используют либо вращение, либо колебательное движение, либо возвратно-поступательное движение, либо их сочетания.

11. Способ по любому из пп. 1-4, 6, 8-10, отличающийся тем, что полирование проводят при плотности тока от 0,2-10 А/см².

12. Способ по п. 5, отличающийся тем, что полирование проводят при плотности тока от 0,2-10 А/см².

13. Способ по п. 7, отличающийся тем, что полирование проводят при плотности тока от 0,2-10 А/см².