4.9. Выбор варианта технологического процесса и меж­операционных припусков с учетом остаточных напряжений

В последние годы благодаря значительным научным и техническим успехам строятся машины высоких мощ­ностей. В таких агрегатах целый ряд деталей работает в условиях больших знакопеременных нагрузок. Эти дета­ли вследствие усталостных разрушений, как правило, и определяют ресурс агрегата. Поэтому к ним при изготов­лении предъявляются повышенные требования как в от­ношении качества поверхностного слоя, так и точности формы.

Для деталей сложной конфигурации с малой жестко­стью технологический процесс изготовления отличается значительной трудоемкостью. Причем трудоемкость рез­ко возрастает в тех случаях, когда требуется выдержать относительно жесткие допуски по профилю.

В известной мере увеличение трудоемкости связано с возникновением остаточных напряжений и их участием в искажении формы деталей при механической обработке.

При разработке технологического процесса изготов­ления деталей возможное влияние остаточных напряже­ний не учитывается. Однако практика показывает, что вопрос о влиянии остаточных напряжений на технологи­ческий процесс изготовления маложестких изделий слож­ной конфигурации является актуальным и требует все­стороннего изучения.

В качестве иллюстрации к сказанному рассмотрим пример обработки лопатки газовой турбины. Иногда тех­нологический процесс обработки пера лопатки строят по следующей схеме:

1. Черновое фрезерование корыта.

2. Черновое обтачивание спинки.

3. Получистовое фрезерование корыта.

4. Получистовое обтачивание спинки.

5. Чистовое фрезерование корыта.

6. Чистовое точение спинки.

7. Шлифование спинки абразивным кругом.

8. Шлифование корыта широкой лентой.

9. Чистовое шлифование спинки на лентошлифовальных станках.

10. Чистовое шлифование корыта на лентошлифовальных станках.

Здесь приведены лишь основные операции. Направ­ление обработки принимается перпендикулярным к осп лопатки. В этом направлении в процессе резания разви­ваются тангенциальные остаточные напряжения, а вдоль пера — осевые остаточные напряжения. Очевид­но, на служебные свойства лопатки решающее значение будут оказывать осевые остаточные напряжения, кото­рые по направлению совпадают с развивающимися ра­бочими напряжениями. Что касается тангенциальных ос­таточных напряжений, то их проявление будет отражать­ся на технологии изготовления.

После чернового фрезерования корыта по попутной схеме на поверхности возникают сжимающие тангенци­альные остаточные напряжения; на спинке же после точе­ния - растягивающие. В дальнейшем после получисто­вого и чистового фрезерования, а также получистового и чистового точения поверхностей корыта и спинки тан­генциальные остаточные напряжения сохраняют свои знаки и остаются примерно такой же интенсивности, как и после черновых операций. Возникшие в результате резания тангенциальные остаточные напряжения приведут к некоторому искажению формы. ориентировочную оценку искажения формы можно получить, если рассмотреть деформацию отдельного элемента переда лопатки. С этой целью вырежем полоску шириной (b) перпендикулярно оси лопатки (рис.4.29) и определим изменение стрелки h под действием возникших остаточных напряжений. Действием отброшенных частей пренебрегаем. Как было сказано ранее, на спинке лопатки после точения формируются тангенциальные остаточные напряжения растягивающего знака, поэтому момент от действия этих напряжений будет иметь направление, как показано на рис.4.30.

Рис.4.29. Сечение образца

На корыте после фрезерования возникают тангенциальные остаточные напряжения сжатия, поэтому момент от этих напряжений будет действовать в том же направлении, что и момент . Действие каждого из этих моментов проявляется в том, что рассматриваемый элемент изогнется в направлении уменьшения стрелки прогиба h.

Пусть размеры выделенного элементы будут следующие: R=75 мм, В=60 мм, а=2 мм. Так как отношение толщины пера а к радиусу R мало, то нормальные и перерезывающие силы можно не учитывать и изменение стрелки прогиба ( ) от действия момента определить на основании известной зависимости для кривого бруса:

,

где - изгибающий момент от единичной силы, приложенной в месте определения прогиба (рис.4.30). Очевидно, приведенную зависимость можно записать и в таком виде:

,

где .

Первое слагаемое равно нулю, поэтому

.

Рис.4.30. Расчетная схема.

При принятых размерах выделенного элемента ( ) зависимость для определения изменения стрелки прогиба упростится к виду:

.

Момент определится из следующего выражения:

,

где b – ширина элемента;

а – толщина пера;

- глубина проникновения тангенциальных остаточных напряжений;

- средние тангенциальные остаточные напряжения в интервале .

Подставим выражение для момента в исходную зависимость

.

После некоторых сокращений будем иметь

. (4.22)

Из ранее приведенных данных видно, что при точении резцами с положительными передними углами глубина проникновения остаточных напряжений для острого резца может быть принята равной мкм, а средняя величина этих напряжений Н/мм². После подстановки этих величин в зависимость (4.22) получим:

мм (4.23)

Изменение стрелки прогиба от действия момента может быть рассчитано по зависимости (4.22) Из рис.4.27 видно, что при попутном фрезеровании глубина проникновения сжимающих остаточных напряжений равна мкм, а среднее тангенциальное напряжение может быть принято Н/мм² с учетом этих величин изменение стрелки прогиба за счет момента составит величину мм. Таким образом, общее изменение стрелки прогиба после чистового протачивания спинки и чистового фрезерования корыта определяется величиной, равной мм.

В следующей операции спинка лопатки шлифуется абразивным кругом.

Шлифование увеличивает глубину проникновения растягивающих остаточных напряжений до величины мкм и одновременно увеличивает их интенсивность. На основании опытов (рис.4.28) для анализа можно принять мкм и Н/мм². При этих значениях и изменение стрелки прогиба составит величину мм.

Из принятой схемы технологического процесса обра­ботки пера лопатки следует, что после шлифования спин­ки производится шлифование корыта с помощью абра­зивной ленты. При шлифовании абразивной лентой, так же как и при обработке абразивными кругами, возника­ют тангенциальные остаточные напряжения растягива­ющего знака. Однако их интенсивность ниже. После фре­зерования на поверхности корыта действуют сжимающие напряжения. Шлифование абразивной лентой наводит напряжения растягивающего знака. В итоге суммарные остаточные напряжения должны быть небольшой ин­тенсивности и ими можно пренебречь. Исчезновение сжи­мающих напряжений на поверхности корыта изменит величину прогиба в сторону его уменьшения. Очевидно, изменение стрелки составит величину, равную

мм

Такое изменение стрелки прогиба будет наблюдаться перед окончательными чистовыми операциями.

Подсчитанное изменение стрелки прогиба нужно по­нимать таким образом; если тем или иным способом снять остаточные напряжения, то это приведет к дефор­мации кромок по отношению к средней части на величи­ну

.

Для простоты будем считать, что перед финишными операциями искажение формы отсутствует.

Пусть дефектный слой, который необходимо снять в последней операции, равен δ=0,05 мм. Шлифование на лентошлифовальном станке начнем со спинки пера ло­патки. После операций точения и шлифования глубина проникновения и средние значения тангенциальных остаточных напряжений, как было принято ранее, соответственно равны:

мкм и Н/мм²

При лентошлифовании уровень остаточных напряжений снижается, глубина же проникновения может быть принята неизменной. Будем считать, что уровень остаточных напряжений растягивающего знака снизится до значений Н/мм2 и ( мкм).

Вследствие снижения уровня напряжения рассматриваемый элемент прогнется, как показано на рис.4.31.

Рис.4.31. Деформация образца.

Этот прогиб на осно­вании зависимости (4.1) составит величину, равную Δ₅ = 0,2 мм. Иными словами, чтобы снять дефектный слой по всей поверхности спинки, необходимо в средней части сошлифовать слой, равный

мм.

Перейдем к лентошлифованию корыта. Очевидно, в этом случае для снятия дефектного слоя нужно вначале по краям сошлифовать слой Δ₅ = 0,2 мм, возникший в результате деформации элемента при лентошлифовании спинки. Кроме того, в результате шлифования корыта за счет изменения интенсивности остаточных напряжений появится дополнительная деформация элемента, кото­рую необходимо учесть.

Будем считать, что по поверхности корыта растяги­вающие напряжения возрастают до величины Н/мм² при глубине проникновения мкм.

В результате возникших напряжений элемент изо­гнется в направлении, совпадающем с деформацией Δ₅. Подсчеты по зависимости (4.1) дают величину Δ₆ =0,08 мм. Таким образом, при лентошлифовании корыта де­фектный слой δ может быть сошлифован при условии удаления по краям элемента слоя, равного

мм.

Эти расчеты показывают, что при последней чистовой операции необходимо удалить слои металла: по спинке Δ₆ =0,25 мм и по корыту Δ₇ = 0,33 мм. Если учесть погрешности, связанные с установкой детали, то очевидно, припуски на последнюю операцию должны быть не менее:

для спинки ,

для корыта .

При мм припуски должны быть установлены в пределах:

для спинки мм,

для корыта мм.

Снятия таких припусков не лентошлифовальных станках, производительность которых в известной степени ограничена, связано с большой затратой времени.

Интересно отметить и следующее обстоятельство. Если изменить порядок шлифования, то изменяется и величина суммарных припусков. В самом деле, в начале шлифования со стороны корыта необходимо снять слой, равный:

мм,

А при последующем шлифовании спинки

мм.

С учетом погрешности установки припуски выразятся величинами:

для корыта мм,

для спинки мм.

При первом варианте обработки общий суммарный съем металла будет равен:

мм.

Для второго варианта

мм.

Сопоставление показывает выгодность второго варианта шлифования. Естественно, что второй вариант может быть применен, если допуск на изготовление будет менее мм, так как после шлифования спинки на корыте появится коробление по краям, равное мм. При первом варианте необходимо учитывать коробление по спинке, которое будет иметь величину, равную мм.

Приведенные ориентировочные расчеты относятся к частному случаю. В общем же могут быть различные варианты. Рассмотрим их.

Первый вариант.

По обеим поверхностям действуют тангенциальные остаточные напряжения растягивающего знака. В процессе обработки одно из напряжений увеличивается, второе – уменьшается. Действие моментов от изменяющихся напряжений показано на рис.4.32.а. Этот вариант, очевидно, соответствует рассмотренному выше примеру. При последовательности обработки «спинка-корыто» на спинке необходимо удалить слой металла вследствие дополнительной информации равный , на корыто .

Рис.4.32. Расчетные варианты прогибов в зависимости от остаточных напряжений.

При последовательности обработки «корыто-спинка» соответственно: на корыте , на спинке .

Суммарная деформация для первого варианта

.

Для второго варианта

.

Очевидно, что для уменьшения суммарной деформации целесообразно выбирать последовательность обработки, начиная с поверхности, на которой изменение остаточных напряжений вследствие обработки будет меньшим.

Второй вариант.

По обеим поверхностям действуют тангенциальные остаточные напряжения растягивающего знака. В процессе обработки оба напряжения уменьшаются (абсолютные значения), рис.4.32.б.

Последовательность «спинка-корыто»

.

Последовательность «корыто-спинка»

.

Для этого случая могут быть сделаны следующие рекомендации:

1. Обработку лучше начинать с поверхности, где изменение остаточных напряжений будет меньшим.

2. Если абсолютные значения остаточных напряжений при обработке изменяются одинаково, то суммарная деформация будет наименьшей и последовательность операций не имеет значения.

В самом деле, при последовательности «спинка-корыто»

.

Во втором случае «корыто-спинка»

.

Очевидно, что

Так как

.

Третий вариант.

По обеим поверхностям действуют тангенциальные остаточные напряжения растягивающего знака. В процессе обработки оба напряжения увеличиваются, рис.4.32.в.

Последовательность «спинка-корыто»

.

Выводы для второго варианта справедливы и для третьего варианта.

Четвертый вариант.

На одной поверхности действуют растягивающие тангенциальные напряжения, на второй – сжимающие. В процессе обработки оба напряжения уменьшаются (абсолютные значения), рис.4.32.г.

Последовательность «спинка-корыто»:

.

Последовательность «корыто-спинка»:

.

Результаты и выводы аналогичны первому варианту.

Пятый вариант.

На одной поверхности действуют растягивающие тангенциальные напряжения, на второй – сжимающие. В процессе обработки одно напряжение уменьшается, второе – увеличивается, рис.4.32.д.

Последовательность «спинка-корыто»:

.

Очевидно, что пятый вариант подобен второму и третьему.

Шестой вариант.

По обеим поверхностям действуют тангенциальные остаточные напряжения сжимающего знака. В процессе обработки оба напряжения уменьшаются, рис.4.32.е.

Последовательность «спинка-корыто»:

.

Последовательность «корыто-спинка»:

.

Вариант подобен второму, третьему и пятому.

Седьмой вариант.

По обеим поверхностям действуют тангенциальные остаточные напряжения сжимающего знака. В процессе обработки одно напряжение увеличивается, второе уменьшается, рис.4.32.з

Последовательность «спинка-корыто»:

.

Последовательность «корыто-спинка»:

.

Вариант подобен первому и четвертому.

Восьмой вариант.

По обеим поверхностям действуют тангенциальные остаточные напряжения сжимающего знака. В процессе обработки оба напряжения увеличиваются, рис.4.32.ж.

Последовательность «спинка-корыто»:

.

Последовательность «корыто-спинка»:

.

Вариант подобен второму, третьему, пятому и шестому.

Рассмотрение этих примеров показывает, что, во-первых, остаточные напряжения оказывают влияние на выбор межоперационных припусков, во-вторых, при составлении технологии обработки (порядок технологических процессов) также необходимо учитывать влияние остаточных напряжений.

Усматривается следующая закономерность: если на обрабатываемых поверхностях в предварительных операциях возникли тангенциальные остаточные напряже­ния одинаковых знаков, то на последующие операции можно рассчитывать минимальные припуски при условии, что в процессе обработки оба напряжения будут увеличиваться или уменьшаться одновременно.

Для поверхностей с разноименными знаками оста­точных напряжений минимальные припуски будут иметь место при условии, если в последующих операциях тан­генциальные остаточные напряжения на одной поверх­ности будут увеличиваться, а на другой уменьшаться. . Наиболее благоприятный вариант возникнет тогда, ког­да тангенциальные остаточные напряжения на противо­положных поверхностях в процессе последующей обра­ботки будут изменяться на одну и ту же величину (аб­солютные значения). В этом случае необходимые меж­операционные припуски будут наименьшими.

Тангенциальные остаточные напряжения сказывают­ся не только на величинах припусков, их влияние в боль­шей степени отражается на искажении формы сложных деталей. Для рассматриваемой детали - лопатки газо­вой турбины вследствие разной толщины пера от комля к периферии под действием тангенциальных остаточных напряжений возникает искажающая форму закрутка пе­ра лопатки. При этом уместно заметить, что правка не­допустима.

В процессе изготовления деталей часто используют метод электрополирования (съем металла) для снятия остаточных напряжений. Очевидно, что и в этом случае сказанное выше о влиянии тангенциальных остаточных на­пряжений на выбор межоперационных припусков и из­менение формы остается в силе. Если стравливаются поверхности с одинаковыми знаками остаточных напря­жений, то всевозможные поводки будут минимальными. Это положение сохраняет свое значение и для процес­сов, когда осуществляется специальная термическая об­работка на снятие остаточных напряжений.

И в этом случае минимальные поводки (коробление, закрутка) будут тогда,- когда предварительными опера­циями создаются поверхности с одинаковыми знаками остаточных напряжений и одинаковыми их интенсивно-стями.

Из изложенного вытекает, что построение технологи­ческого процесса обработки необходимо рассчитывать с учетом действия остаточных напряжений. Выбор режимов резания должен быть подчинен условиям требуемо­го качества поверхностного слоя.

При расчете межоперационных припусков учет влия­ния остаточных напряжений может привести к сниже­нию, трудоемкости обработки и удешевлению продукции.