1270

стинок, методы повышения хрупкой прочности твердых сплавов, методы исследования основных параметров качества поверхностного слоя на конкретных деталях газотурбинных двигателей.

Впервые в мировой практике представлена внедренная разработка нового процесса скоростного протягивания замков лопаток компрессора из жаропрочных сплавов твердосплавными протяжками. Доказывается и подтверждается практикой высокая эффективность нового процесса как по производительности, так и по повышению качества и усталостной прочности протянутых деталей.

Пособие содержит примеры математического моделирования и расчета тепловых и силовых процессов, позволяющие прогнозировать параметры качества поверхностного слоя еще в процессе технологической подготовки производства.

За прошедшее столетие в области науки о резании металлов выполнено огромное количество научных исследований, установлены основные закономерности процесса резания, разработаны высокоэффективные инструментальные материалы, создано необходимое оборудование.

Дальнейшее развитие науки о резании связано с решением проблем обработки деталей новых высокоэффективных конкурентоспособных на внутреннем и внешнем рынках машин и механизмов, имеющих более высокие эксплуатационные параметры и изготавливаемых из новых более труднообрабатываемых материалов. Сегодня это наиболее актуально для такого особого класса сложнейших машин и механизмов, как газотурбинные двигатели (ГТД) для авиации, наземных энергетических и газоперекачивающих установок.

В процессе эксплуатации большинство деталей и узлов газотурбинных двигателей испытывают высокие температурные нагрузки от газового потока, значительные статические, динамические вибрационные нагрузки, влияние агрессивных сред и др. Поэтому для обеспечения высокой прочности, долговечности деталей ГТД применяют специальные сложнолегированные высокопрочные стали и сплавы,

11

достаточно сложные прецизионные конструктивные формы деталей, особенно их соединений. В то же время трудоемкость обработки резанием при производстве деталей ГТД составляет более 60 % от общей трудоемкости изготовления. В результате растут затраты производства, увеличивается себестоимость продукции. Для выполнения этих требований необходимо разработать и внедрить сложные и трудоемкие технологические процессы, выработать научно обоснованные технологические рекомендации по выбору оптимальных режимов резания, геометрии режущего инструмента и созданию специального оборудования.

В процессе механической обработки деталей ГТД помимо видоизменения формы и размеров заготовки происходит формирование особых свойств поверхностного слоя, его макро- и микроструктуры, что непосредственным образом влияет на усталостную прочность, долговечность деталей и, в конечном счете, на надежность и ресурс работы газотурбинных двигателей. Окончательное формирование основных параметров качества поверхностного слоя и усталостной прочности деталей ГТД происходит на чистовых финишных операциях механической обработки, к которым относится и процесс протягивания.

Протягивание применяется на большинстве деталей ГТД как наиболее производительный, а часто как единственно возможный процесс обработки. Трудоемкость операций протягивания составляет на отдельных деталях более 50 % от общей трудоемкости механической обработки. Очень часто проблемы обрабатываемости протягиванием возникают при обработке наиболее массовых и тяжело нагруженных в условиях эксплуатации сложнофасонных весьма точных замковых соединений дисков и лопаток турбин и компрессоров ГТД из различных жаропрочных сталей и сплавов.

Протягиванием производится обработка профиля замков лопаток и пазов в дисках компрессоров в форме «ласточкиного» хвоста, а также пазов в дисках турбин в форме «елочки». Общее число про-

12

фильных замковых поверхностей, которые обрабатываются протягиванием, составляет более 7 000 шт. в одном ГТД. Очень часто операции протягивания являются узким местом при производстве ГТД из-за весьма низкой стойкости протяжек, недостаточной производительности, неудовлетворительного качества протянутой поверхности, особенно при освоении производства деталей из новых труднообрабатываемых материалов. Традиционно протягивание деталей ГТД производится на весьма низких скоростях резания с применением протяжек из быстрорежущих сталей. Так, например, при протягивании 73 «елочных» пазов в дисках турбин из жаропрочного сплава ЭП741-НП протяжками из быстрорежущей стали Р18 на скорости резания 1,5…2,0 м/мин общее время обработки составляет более 24 часов. При этом стойкость протяжек составляет не более одного диска. Сравнение режимов протягивания с режимами точения и фрезерования одних и тех же марок сталей и сплавов показывает, что применяемые скорости резания при точении и фрезеровании (20…150 м/мин) значительно выше, чем при протягивании (1,5…4,0 м/мин). Кроме того, при точении и фрезеровании применяются твердосплавные режущие инструменты.

Применение повышенных скоростей протягивания и твердосплавных протяжек сдерживается из-за отсутствия теоретических основ, практических разработок и проверенных на практике технических рекомендаций и методик. Не налажено и серийное производство скоростных протяжных станков. Существование определенного психологического барьера у ряда специалистов из-за опасности деформации обрабатываемых деталей или обрыва и поломки протяжек при скоростном протягивании, значительная трудоемкость изготовления фасонных твердосплавных протяжек, их быстрый выход из строя из-за выкрашивания и сколов также являются сдерживающим фактором внедрения этого процесса. Отсутствуют и методы ускоренного определения оптимальных режимов протягивания, этого исключительно сложного и трудоемкого для экспериментальных ис-

13

следований процесса резания. Перенесение же основных закономерностей процесса резания, полученных для других методов обработки, например для процесса продольного точения, невозможно в силу специфики непрерывного резания при точении и прерывистого резания при протягивании. В связи с этим научное и практическое всестороннее рассмотрение и решение проблемы повышения производительности, качества обработки, стойкости инструмента, создание нового высокопроизводительного оборудования для протягивания деталей из труднообрабатываемых материалов является чрезвычайно необходимой актуальной задачей.

В настоящем издании учебного пособия приведены результаты по комплексному экспериментальному теоретическому исследованию процесса протягивания деталей из 30 марок различных жаропрочных сталей и сплавов в широком диапазоне скоростей резания 1,5…60,0 м/мин с применением как быстрорежущих, так и твердосплавных протяжек на модернизированных и скоростных протяжных станках.

На основании выполненных исследований практически решена проблема оптимизации процесса протягивания путем использования разработанного метода скоростного протягивания, оптимизации его параметров и инструмента. Доказано, что применительно к условиям прерывистой многолезвийной обработки протягиванием жаропрочных сталей и сплавов, имеющей ярко выраженную статистическую природу, существует такое термомеханическое состояние зоны резания каждого режущего элемента протяжки, характеризуемое некоторой температурой резания, называемой в дальнейшем оптимальной, при которой наблюдаются наиболее благоприятные условия износа инструмента и формирования требуемых параметров качества обработанной поверхности. Разработаны обобщенные аналитические и экспериментальные математические модели расчета оптимальных режимов резания при протягивании гаммы труднообрабатываемых сталей и сплавов, применяемых в производстве газотурбинных двигателей.

14

Выведенные экспериментальные и аналитические зависимости оптимальных значений температуры и скорости резания позволили разработать новый способ протягивания деталей многосекционными твердосплавными протяжками на оптимальных режимах резания, при котором в момент входа в работу чистовых секций протяжек не уменьшают, как прежде, скорость резания, а, наоборот, увеличивают ее до оптимальных значений.

Приведены результаты исследований характера износа и динамики хрупкого разрушения твердосплавных протяжек. На основе физического моделирования адгезионного взаимодействия между инструментальным и обрабатываемым материалами выяснена природа и характер адгезионного износа протяжек, разработан ускоренный метод определения значений оптимальных величин температуры резания и интенсивности износа протяжек без проведения трудоемких стойкостных испытаний на протяжных станках.

Разработан ускоренный способ назначения оптимальной скорости протягивания на основе зависимостей, полученных при точении того же обрабатываемого материала и доказанного впервые факта совпадения оптимальных температур резания при протягивании и при точении.

Приведены результаты экспериментально-теоретических исследований процессов пластической деформации в зоне резания, особенностей стружкообразования, изменения усилий резания и технологических напряжений в обрабатываемых материалах в зависимости от их свойств, режимов резания и геометрии протяжек.

На основе исследования динамики хрупкого разрушения твердосплавных протяжек, условий входа и выхода при прерывистом резании установлен факт решающего влияния на это разрушение неблагоприятных условий выхода протяжки из детали. Разработан комплекс эффективных мероприятий по значительному снижению хрупкого разрушения твердосплавных протяжек.

15

Проведена оценка влияния режимов резания и геометрии протяжек на основные параметры качества поверхностного слоя и усталостную прочность обработанных деталей и замковых соединений в целом. Показано, что интенсификация процесса протягивания улучшает качество обработки и повышает усталостную прочность протянутых деталей.

Проведены исследования механических свойств исследуемых обрабатываемых материалов в широком температурном диапазоне, выполнено исследование влияния адгезионных явлений на формирование физико-химических свойств поверхностного слоя деталей после протягивания, проведены исследования износа протяжек с привлечением электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального химического анализа, скоростной киносъемки и т.д.

Широко применены статистические методы обработки результатов исследований, математическое планирование эксперимента, математическое моделирование процессов с использованием ПЭВМ.

По результатам проведенных системных комплексных исследований и итогам широкого внедрения в производство процесса скоростного протягивания разработаны научно-обоснованные и проверенные на практике технические рекомендации, которые получили одобрение и поддержку специалистов на ведущих моторостроительных предприятиях страны.

Разработанные рекомендации способствуют значительному повышению производительности, износостойкости протяжек, качества и усталостной прочности замковых соединений дисков и лопаток ГТД, сокращению сроков освоения новой авиационной техники. Внедрение процесса скоростного протягивания с применением твердосплавных многосекционных протяжек в ОАО «Пермский моторный завод» проведено при обработке 150 наименований деталей из различных труднообрабатываемых материалов на 26 модернизированных протяжных станках с получением значительного экономического эффекта. Основные результаты и рекомендации данной ра-

16

боты переданы на все моторостроительные предприятия страны. В итоге внедрение процессов скоростного протягивания замковых соединений дисков и лопаток ГТД проведено на большинстве отечественных предприятий авиадвигателестроения со значительной эффективностью.

Основные результаты работы внедрены в серийном производстве нового современного двигателя ПС90А, который в 1996 г. впервые

впрактике авиационного двигателестроения России получил международный сертификат производства. Наработанный ресурс двигателя

в2007 г. составил 9 200 часов без съема с крыла, что является крупным успехом моторостроителей – конструкторов и технологов.

Результаты работы могут быть успешно реализованы и в других отраслях машиностроения при протягивании деталей из различных конструкционных и углеродистых сталей и цветных сплавов.

Основная часть исследований выполнена в ОАО «Пермский моторный завод». Автор выражает искреннюю признательность руководству завода, инженерам и сотрудникам лабораторий резания и шлифования экспериментально-технологического цеха за помощь

ворганизации, постановке экспериментов и внедрение полученных результатов в производство.

17

Глава1 ОСОБЕННОСТИПРОЦЕССАПРОТЯГИВАНИЯ

СЛОЖНОФАСОННЫХПОВЕРХНОСТЕЙ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХДЕТАЛЕЙМАШИН ИЗТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХМАТЕРИАЛОВ

1.1. Проблемы, возникающие при протягивании труднообрабатываемых материалов

Повышение эффективности и качества обработки в машиностроительном производстве является приоритетным направлением на современном этапе научно-технического прогресса. Это касается прежде всего самой сложной, наукоемкой и дорогостоящей отрасли машиностроения – авиационного двигателестроения.

В современных условиях острой конкурентной борьбы за рынки сбыта авиационной техники как внутри страны, так и за рубежом интенсификация производства ГТД означает внедрение мероприятий по значительному сокращению трудозатрат, снижению себестоимости обработки, сокращению сроков освоения новых изделий при одновременном повышении качества и стабильности обработки, надежности и ресурса работы деталей в условиях эксплуатации. Повышенные эксплуатационные требования к деталям ГТД обусловлены особыми требованиями к безопасности воздушных перевозок людей и грузов.

Сокращение трудозатрат, снижение себестоимости обработки, повышение качества и ресурса работы деталей достигается внедрением новых более эффективных технологических процессов или значительным совершенствованием применяемых процессов, особенно на таких чистовых, финишных операциях обработки резанием, как протягивание.

В текущем столетии было проведено огромное количество научных исследований в области обработки металлов резанием на черновых и финишных операциях. Проведены глубокие научные исследования износостойкости различных инструментальных материалов,

18

сил и температур в зоне резания, механизма стружкообразования

ипластической деформации и др. Сегодня можно сказать, что в технологии машиностроения, в теории резания уже установлены многие основополагающие научные законы и положения. Использование же на практике – в производстве машин – этого огромного научного фундамента пока явно недостаточно. Причиной неудовлетворительной реализации научных разработок часто является отсутствие системности, комплексной разработки, противоречивость многих рекомендаций, оторванность конкретных научных разработок от требований практики. Реализуются в производстве такие научные разработки, которые, во-первых, отвечают насущным требованиям производства, вовторых, имеют всестороннюю системную комплексную проработку.

Цель оптимизации финишных процессов обработки деталей ГТД должна заключаться в обеспечении требуемых высоких параметров качества и усталостной прочности при минимизации затрат производства, значительном росте производительности и стабильности обработки.

Решение данной проблемы является достаточно сложным процессом, так как применяемые в двигателестроении жаропрочные стали и сплавы, составляющие до 85 % от массы ГТД, обладают весьма низкой обрабатываемостью. Применение же форсированных режимов обработки с целью снижения трудоемкости и повышения производительности ограничивается снижением стойкости режущих инструментов и ухудшением качества поверхностного слоя деталей.

Одним из путей повышения эффективности финишной механической обработки деталей ГТД является разработка, исследование

ивнедрение такого высокопроизводительного процесса, как скоростное протягивание твердосплавными протяжками.

Протягивание – это наиболее высокопроизводительный процесс окончательной лезвийной обработки, обеспечивающий выполнение повышенных требований по точности, шероховатости и физико-хими- ческим свойствам поверхностного слоя. Поэтому протягивание относится к числу наиболее ответственных директивных операций обра-

19

ботки деталей ГТД, влияющих на эксплуатационную долговечность

инадежность работы. В то же время трудоемкость операций протягивания достаточно велика и часто составляет более 50 % от общей трудоемкости обработки деталей.

Выполнение качественных показателей протягивания неразрывно связано с требованием высокой стойкости и производительности протяжек. Однако традиционно протягивание производится на низких скоростях резания с применением протяжек из различных марок быстрорежущих сталей. Низкая стойкость и малая производительность протяжек из быстрорежущих сталей в настоящее время являются главными причинами, сдерживающими рост производства таких основных деталей ГТД, как диски и лопатки турбин и компрессоров, а также препятствующими дальнейшему расширению области применения протягивания и на других деталях.

По вопросам совершенствования протягивания на низких скоростях резания (1,5…15,0 м/мин) имеется достаточно большое количество исследований отечественных и зарубежных ученых. В работах А.И. Каширина, А.В. Щеголева, Г.И. Грановского, Д.К. Маргулиса, 3.Д. Горецкой, П.Г. Кацева, Г. Опитца и М. Шутте, А.М. Кузнецова

идругих исследователей приводятся рекомендации по протягиванию деталей из углеродистых, легированных сталей и чугунов быстрорежущими протяжками.

Вопросам исследования обрабатываемости труднообрабатываемых материалов с применением быстрорежущих и твердосплавных протяжек посвящены работы П.Г. Балюры, А.Е. Вишнякова, Н.Ф. Пронкина, О.Ф. 3амшева, В.В. Чернышева, В.А Ведмедовского, Г.Г. Миларини и др.

Протягивание различных групп материалов на повышенных скоростях резания исследовалось в работах Л.К. Мануйлова, Н.И. Жигалко, Н.И. Ковзеля, В.И. Синицина, В.И. Белашкова, Ю.И. Дворова, М.Н. Яхнина, К. Мейера, К. Хоффмана и других авторов.

Анализ этих работ показывает, что большинство исследований не носят комплексного системного характера, отражающего взаимо-

20