Выбор и назначение оптимальных условий протягивания заготовок из тру

связь влияния режимов обработки на термодинамические явления в зоне резания, на процессы образования стружки, на износ и стойкость протяжек, на физико-химические свойства поверхностного слоя и усталостную прочность обработанных деталей.

Практически отсутствуют работы по комплексной оптимизации процессов протягивания деталей из различных материалов с применением как быстрорежущих, так и твердосплавных протяжек. Многие сведения весьма ограничены, конкретизированы или носят в основном отрывочный характер. Отсутствуют обобщенные математические модели расчета оптимальных режимов протягивания для любой группы обрабатываемых материалов. Не разработаны и методы существенного снижения исключительно высокой трудоемкости экспериментальных исследований при протягивании.

1.2. Основные технические требования к процессам формообразования сложнофасонных поверхностей деталей машин

Всовременном машиностроении наиболее сложным, трудоемким и ответственным является производство газотурбинных двигателей для авиации.

Основными узлами газотурбинных двигателей являются компрессоры низкого и высокого давления и газовые турбины, которые во время работы двигателя вращаются с высокой скоростью вокруг своей оси (рис. 1).

Всвою очередь узлы компрессора и турбины состоят из большого числа дисков и лопаток, соединенных с помощью специальных профильных замковых соединений. Общее число профильных замковых поверхностей дисков и лопаток из различных сталей и сплавов

водном газотурбинном двигателе составляет более 7 000. Эти поверхности относятся к наиболее нагруженным и ответственным элементам ГТД. Под действием центробежных сил в процессе эксплуатации профильная и замковая часть лопаток, межпазовые выступы дисков испытывают значительные растягивающие и изгибные на-

21

пряжения. Под действием высокого давления газового потока замковые соединения подвергаются действию изгиба и кручения. От действия вибрационных нагрузок в замковых соединениях возникают значительные знакопеременные напряжения, частота которых меняется в широких пределах. С увеличением мощности двигателя напряженность элементов замковых соединений еще больше растет. Она усиливается от действия значительных тепловых нагрузок. Например, лопатки турбин работают при температуре более 1 300 °С, а лопатки компрессора – в зависимости от расположения на пути газового тракта – от 300 до 600 °С. Нагрев двигателя при запуске и быстрое охлаждение при его остановке порождают циклическое изменение термических напряжений.

Рис. 1. Двигатель ПС90А: 1 – колесо вентилятора; 2 – компрессор низкого давления; 3 – ротор низкого давления; 4 – наружный корпус; 5 – ротор высокого давления; 6 – корпус внутреннего контура; 7 – внутренний кожух

камеры сгорания; 8 – задняя опора

Надежность и долговечность замковых соединений зависит не только от конструктивной прочности, от сопротивления материалов циклическим и длительным статическим разрушающим нагрузкам, но и от технологии их изготовления, формирующей поверхно-

22

стный слой деталей. Установлено, что разрушение деталей машин происходит в результате образования и развития микротрещин в поверхностном слое.

Врезультате механической обработки в поверхностном слое образуются концентраторы напряжений в виде микронеровностей, образуется наклеп и остаточные напряжения, происходят структурные или фазовые превращения и т. п. Кроме того, именно на поверхностный слой приходится максимум напряжений от действия внешних растягивающих, изгибающих нагрузок, воздействует внешняя среда в виде коррозии или эрозии, облегчен выход дефектов в виде дислокаций.

Всвязи с этим обеспечения высокого и стабильного качества

иусталостной прочности поверхностного слоя можно добиться путем назначения для изготовления дисков и лопаток ГТД высокопрочных жаростойких сталей и сплавов, наиболее рациональных методов и оптимальных режимов механической обработки, подбора характеристик и геометрии режущего инструмента, выбора эффективной смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ) и т.п.

Соединение дисков и лопаток ГТД осуществляется с помощью замков различного профиля. Наибольшее распространение получили трапецеидальные (в виде «ласточкиного хвоста») и «елочные» замковые соединения (рис. 2, 3, 4). Помимо высокой прочности эти соединения должны обеспечивать заданное расположение пера лопатки в газовоздушном тракте для выполнения своего назначения. Поэтому сопряженные поверхности дисков и лопаток должны быть выполнены с высокими параметрами точности. Так, допуск на толщину замка составляет 0,01…0,05 мм, на шаги зубьев «елочного» профиля со-

ставляет ±0,003 мм, на перекос и непараллельность зубьев профиля – не более 0,02 мм, на отклонение по углам профиля – 4…15′. Величина шероховатости должна соответствовать Rа ≤ 1,25 мкм. Лопатки ротора и направляющих аппаратов компрессора обычно имеют профиль «ласточкин хвост» (см. рис. 2).

23

Рис. 2. Профиль замка лопатки компрессора из титанового сплава ВТ8М

Аналогичные профили имеют и пазы в дисках и направляющих аппаратах компрессора (см. рис. 3, а). Высокая точность изготовления замков и пазов должна обеспечивать достаточно плотное соединение с зазором 0,01…0,03 мм на длине не более 80 мм. Иногда для соединения дисков и лопаток с натягом применяют омеднение или серебрение замка лопатки с толщиной слоя 0,003…0,005 мм для устранения надиров и концентраторов напряжений при запрессовке.

Замок «ласточкин хвост» наиболее технологичен, прост, имеет меньший вес, легко разбирается и намного дешевле в изготовлении, чем другие профили.

«Елочный» замок (см. рис. 3, б) намного сложнее в изготовлении и применяется как более прочное соединение в дисках и лопатках ротора турбин, испытывающих более высокие термодинамические нагрузки.

Особенность «елочного» соединения заключается в том, что замок лопатки имеет большие размеры, более глубоко размещается в диске турбины. Нагрузка от действия внешних сил перераспределяется между зубцами «елочного» профиля, поэтому изготовление такого соединения должно быть более точным, нежели замков типа «ласточкин хвост». При недостаточной точности может произойти выкрашивание или поломка зубчиков как на лопатке, так и в пазу диска.

24

Рис. 3. Общий вид диска турбины после протягивания пазов

иэскизы профилей пазов «ласточкин хвост» (а) и «елка» (б)

вдиске компрессора и в диске турбины

25

Кроме того, неудовлетворительная шероховатость поверхности, значительные величины наклепа и остаточных напряжений могут вызвать образование и рост микротрещин как во впадине «елочного» замка лопаток, так и в пазах дисков турбин. Установлено, что применяемые для изготовления замковых соединений жаропрочные стали и сплавы очень чувствительны по пределу выносливости к технологии изготовления. Например, протягивание дна «елочного» паза диска турбины с увеличенной подачей на зуб протяжки без затыловки боковых граней ее зубьев приводит к увеличению микроповреждений и росту сдвиговых деформаций в поверхностном слое, что снижает предел выносливости диска турбины со 170 до 125 МПа. При любом виде механической обработки – точении, фрезеровании, протягивании, шлифовании, полировании – на обработанной поверхности появляются микронеровности и микроповреждения от режущих инструментов. Происходит разрушение зерен металла в виде среза, отрыва, ослабляются межзерновые границы, возникают микротрещины.

Особенно большое влияние на усталостную прочность оказывает рисочность на обработанной поверхности, появляющаяся как следы режущих инструментов. При нестабильном техпроцессе, быстром износе, выкрашивании режущих кромок, образовании и срыве наростов рисочность носит случайный характер с различной глубиной и длиной рисок. Очень часто глубина рисок превышает среднюю высоту микронеровностей Ra в 2–2,5 раза. Риски от механической обработки являются концентраторами напряжений. Чем больше высота микронеровностей, меньше радиус скругления на дне впадины риски, больше шаг микронеровностей, тем больше коэффициент концентрации напряжений. Особенно чувствительны к концентраторам напряжений титановые сплавы и литейные сплавы на никелевой основе, которые имеют низкую ударную вязкость. В процессе механической обработки под действием сил и температуры резания в поверхностном слое могут появляться трещины, прижоги, газонасыщенные зоны с увеличенной твердостью. Изменяя режимы резания, характеристики и геометрию режущего инструмента в процессе

26

механической обработки, можно управлять величиной рисочности, шероховатости, волнистости, наклепа, остаточных напряжений и в конечном счете усталостной прочностью обработанных деталей.

Значительное влияние на качество поверхностного слоя оказывает и метод механической обработки. По данным А.М. Сулимы, при точении жаропрочного сплава ХН77ТЮР в поверхностном слое возникают растягивающие остаточные напряжения до 700 МПа глубиной 50…200 мкм. При фрезеровании этого сплава могут возникать как сжимающие, так и растягивающие остаточные напряжения. При шлифовании под действием высоких температур в зоне резания возникают преимущественно растягивающие остаточные напряжения. Считается, что более благоприятными с позиции усталостной прочности являются сжимающие напряжения, проникающие на значительную глубину, нежели растягивающие напряжения, находящиеся в поверхностном слое.

Повышение усталостной прочности, надежности и ресурса деталей ГТД возможно при назначении таких методов механической обработки, которые обеспечивают высокую стабильность выходных параметров качества поверхностного слоя. Быстрый износ, выкрашивание режущих инструментов, частое появление трещин и прижогов на обработанной поверхности, частые поломки и ремонт оборудования приводят к снижению стабильности обработки. Поэтому очень важно правильно выбрать метод наиболее стабильной обработки, обеспечивающий требуемые параметры качества и точности. Одновременно нужно учесть, что борьба за повышение качества и стабильность обработки потребует дополнительных затрат, увеличения трудоемкости, снижения производительности труда и роста себестоимости обработки.

Таким образом, основные требования к технологическому процессу обработки замковых соединений должны учитывать помимо высокой надежности работы режущего инструмента жесткие технические требования к точности геометрии профиля, стабильно обеспечивать требуемую высоту микронеровностей, невысокие значения

27

остаточных напряжений и наклепа, отсутствие структурно-фазовых превращений в поверхностном слое, сохранение или более высокую усталостную прочность по сравнению с прежним техпроцессом.

Эти требования значительно усложняют проведение работы по оптимизации процесса протягивания, которая предусматривает значительный рост режимов резания и замену быстрорежущих протяжек на твердосплавные. Одновременно необходимо обеспечить устойчивую и стабильную работу оборудования на более высоком уровне.

1.3. Технологические особенности процесса протягивания среди других процессов формообразования сложнофасонных поверхностей деталей машин

Технический прогресс машиностроительной промышленности предполагает непрерывное совершенствование методов обработки деталей и замену устаревших методов более передовыми, не только дающими стабильное повышение качества и точности обработки, но и обеспечивающими рост производительности труда и экономичности технологических операций. Это особенно важно при автоматизации производства, создании гибких автоматизированных центров

исистем.

Внастоящее время одинаковой точности и шероховатости обрабатываемых поверхностей можно достигнуть с помощью различных методов обработки, однако затраты производства будут различными. Чтобы установить наиболее рациональный метод, необходимо провести технико-экономическую оценку и сопоставление трудоемкости, стабильности всех применяемых методов.

Существуют различные методики сравнительной оценки техпроцессов. Наиболее удобная методика разработана под руководством А.А. Маталина. Путем изучения опыта заводов, хронометражным обследованием и экспериментальными исследованиями в лабораторных условиях определялась фактическая трудоемкость, стойкость режущего инструмента и рассчитывалась технологическая себестоимость обработки деталей разными методами. В качестве критериев затупления

28

или износа режущих инструментов, определяющих его стойкость, устанавливались такие пределы износа, при которых увеличивалась шероховатость, появлялись риски, надиры на обработанной поверхности или снижалась геометрическая точность деталей сверх допустимой величины. В некоторых случаях за критерий затупления принималось появление трещин или прижогов, дробление, огранка на обработанной поверхности.

Обработку сложных фасонных поверхностей замков лопаток и пазов в дисках и кольцах ГТД на различных заводах моторостроения ведут различными методами: фрезерованием, маятниковым шлифованием, протягиванием и глубинным шлифованием.

При обработке пазов в дисках турбин и компрессоров, в кольцах направляющих аппаратов, замков лопаток компрессора применяется преимущественно процесс протягивания. При обработке замков лопаток турбины из жаропрочных литейных сплавов на никелевой основе наряду с протягиванием применяется фрезерование быстрорежущими и твердосплавными фрезами, маятниковое шлифование однониточными и многониточными кругами, глубинное шлифование методом врезания одновременно двумя кругами с двух сторон.

Различные ученые проводили сравнение указанных методов по величине затрат на производство годового объема лопаток. По данным В.В. Чернышева и М.С. Рахмаровой, на всех операциях и при любой программе выпуска лопаток турбин применение протягивания экономически эффективно, т.к. годовые приведенные затраты при этом способе обработки в 2–2,5 раза меньше, чем при маятниковом шлифовании и фрезеровании, а трудоемкость снижается в 5 раз. При обработке замков лопаток компрессора типа «ласточкин хвост» возможна обработка предварительным фрезерованием с последующим маятниковым шлифованием, глубинное шлифование замка с двух сторон одновременно и протягивание всего профиля за один или два прохода в зависимости от припуска на профиль. Сравнительный анализ показал, что при годовой программе производства лопаток до 74 тыс. шт. эффективнее обрабатывать замки лопаток «ласточкин хвост» методом протягивания на горизонтально-протяжных станках.

29

При увеличении программы рекомендуется применять протяжные станки непрерывного действия. При программе производства 200 тыс. лопаток в год себестоимость процесса протягивания замков лопаток в 3,5–4 раза меньше, чем себестоимость фрезерования и маятникового шлифования.

Сравнительный анализ процессов фрезерования и протягивания замков лопаток турбогенераторов на заводе турбинных лопаток (г. С.-Петербург) провел Н.И. Жигалко. При обработке «елочных» замков из жаропрочной стали ЭИ572 и жаропрочного литейного сплава ЖС6К процесс протягивания оказался более эффективным, чем фрезерование. Повышение скоростей протягивания позволяет применять более износостойкие протяжки из твердых сплавов вместо быстрорежущих, что еще больше увеличивает эффективность протягивания. Так, штучное время протягивания «елочного» замка лопатки из стали ЭИ572 составляет 0,7 мин при использовании быстрорежущих протяжек и 0,32 мин при обработке твердосплавными протяжками, а замки лопаток из сплава ЖС6К обрабатываются соответственно за 2,0 мин и 0,7 мин. При фрезеровании штучное время составляет 9…10 мин. Таким образом, производительность процесса протягивания выше в 5 и более раз, чем производительность процесса фрезерования. При этом отмечается получение более стабильных размеров и малой шероховатости протянутой поверхности

(Ra = 1,0…1,6 мкм).

Сравнение трудоемкости операций фрезерования и маятникового шлифования «елочного» профиля замка лопатки турбостартера из сплава ЖС3 проводил В.А. Шальнов (Научно-исследовательский институт авиационной технологии). Фрезерование производилось быстрорежущими фасонными фрезами предварительно и окончательно по одной стороне замка. Штучное время этих двух операций составило 20,2 мин. Маятниковое шлифование проводилось также за две операции – предварительно и окончательно. Время обработки составляет 28 мин. Таким образом, по производительности выгоднее применять фрезерование «елочных» замков, чем маятниковое шлифование. Однако отмечается, что при фрезеровании не обеспечивается стабильно заданная шероховатость и точность обработанных зам-

30