Лёнька-60% / К диплому / Рабочий диплом / Копия ИсследЧасть

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ВИБРОКОНТАКТНОГО ПОЛИРОВАНИЯ

Одним из перспективных направлений использования абразивных СВС-материалов является изготовление инструмента на упруго эластичном основании. В качестве основы таких инструментов применяются бумага, ткань, войлок и фибра, на которые после соответствующей подготовки закрепляются зерна.

В процессе исследования были изготовлены шкурки из СВС КР и TiС на бумажной и тканевой основах с мездровой клеевой связкой зернистостью от 6 до 25. Абразивная шкурка исследовалась при виброконтактном полировании профиля пера лопаток 1-й ступени газотурбинных двигателей из труднообрабатываемого жаропрочного сплава ЖС-6ФВИ на никелевой основе на станках-полуавтоматах ЛВП-4. При этом сравнивались два технологических процесса изготовления лопаток. Обычная технология, когда лопатка после литья и пескоструйной обработки поступала на операцию ручного шлифования на полировальных бабках абразивными и войлочными кругами. Применение данной технологии связано в значительной степени с несовершенными процессами получения заготовок. В настоящее время более перспективным методом получения заготовок лопаток сложной формы становится литье по выплавляемым моделям с направленной кристаллизацией. Этот вид заготовок характеризуется высокой геометрической точностью, низкой шероховатостью поверхности, высокими физико-механическими и теплофизическими свойствами и малыми припусками на дальнейшую механическую обработку. Статистический анализ распределения припусков у лопаток 1-й ступени с направленной кристаллизацией показал, что среднее значение припуска по профилю составило 0,15 мм, при этом лопатки с припуском менее 0,2 мм составляли 85% от общего количества. Получение профиля пера лопаток с минимальным припуском снизило трудоемкость механической обработки за счет ликвидации ручной подгонки профиля.

Для обеспечения требуемой шероховатости поверхности лопаток применялось виброконтактное полирование на станках ЛВП-4. При виброконтактном полировании инструментом является абразивная шкурка на бумажной или тканевой основах, которая помещается между заготовкой и резиновыми ложементами, имеющими форму эквидистантную профилю спинки и корыта лопатки. Перед обработкой ложементы прижимаются к поверхности лопатки с определенным давлением (МПа). Главное движение совершается лопаткой, и представляет собой сложные колебательные движения: возвратно-поступательное в вертикальной плоскости и качательное в горизонтальной. Траектория такого движения геометрически сложна и практически неповторима (фигуры Лиссажу).

За основной критерий работоспособности лент принимали следующие показатели: производительность (мм³/мин) и период стойкости (с). Период стойкости лент равнялся времени заполнения межзеренного пространства отходами шлифования (стружкой и обломками зерен), т.е.

, (1)

где - объем порового пространства абразивной шкурки мм³, - производительность в мм³/мин.

Величина зависит от площади поверхности обрабатываемой лопатки длиной L₃ и шириной В₃ и диаметра зерна d₀, а также от плотности насыпки абразивных зерен на основу шкурки (шт/мм²). Предположим, что связка занимает половину абразивного слоя, тогда

. (2)

Плотность насыпки можно определить двумя способами: через регуляцию структуры упаковки зерен или через технологическую плотность абразива, полученную при изготовлении шкурки г/м².

В первом случае

, (3)

где - структурный угол, который находится в пределах … .

Во втором случае

, (4)

где - число зёрен в 1 грамме абразивного порошка.

По данным [1] можно принять величину ,

тогда . (5)

По данным [2] величина при однослойной насыпке зерен 16 зернистости составляет =600 г/м², а величина для СВС КР составляет 1,92 кг/м³, тогда по формуле (5) следует, что =45 шт/мм².А при расчете по формуле (3) при получим =45 шт/мм². Отсюда можно сделать вывод, что в процессе изготовления абразивных шкурок с однослойной насыпкой формируется гексагональная упаковка зёрен с . Подставив формулу (3) в зависимость (2), получим статический объем пор в абразивной шкурке:

. (6)

При обработке эластичным инструментом статическое поровое пространство уменьшается за счет углубления абразивных зерен в связку и основу шкурки. Среднюю величину деформации зерен можно определить по формуле Герца, принимая зерно за шар [3]

, (7)

где-контурное давление МПа; - модуль упругости сжатия основы и связки абразивной шкурки в МПа.

Подставим в формулу (7) значение и получим

. (8)

Величина определялась по методике [4]. Установлено, что при повышении температуры обработки связка размягчается и величина снижается, достигая минимального значения при температуре 300…350°С.

При температуре свыше 400° С связка теряет свои прочностные свойства. Исследованиями установлено, что величина при температуре 200…300°С для шкурок на бумажной основе с мездровым клеем составляет 9…11 МПа, а на тканевой основе 8…9 МПа.

С учетом найденного значения определим объем порового пространства абразивной шкурки в процессе обработки

. (9)

Анализ полученной зависимости показывает, что при определенном давлении возможен случай, когда поровое пространство будет близкое к нулю и в контакт с обрабатываемой поверхностью вступает связка. Определим предельное давление , приравняв выражение в квадратных скобках (9) к нулю

. При и =10 МПа, имеем , откуда , т.е. контурное давление не должно превышать 1 МПа.

Производительность процесса при виброконтактном полировании определялась на образцах линейным и весовым способами. При линейном способе образец-лопатка устанавливалась в специальном приспособлении на оптико-механическом приборе ПОМКЛ-4. Изменение объема определяли в установленных конструкторской документацией сечениях до, и после обработки. При этом сравнивалась работоспособность шкурок, изготовленных из СВС КР и 14А. Исследованиями установлено, что шкурки из зерен СВС КР обладают более высокой производительностью. Это связано с тем, что зерна СВС КР имеют режущую способность на 15...20% выше. На производительность в большей степени влияют скорость резания, зернистость и время обработки. Как было показано ранее, с увеличением давления шкурки на обрабатываемую поверхность уменьшается поровое пространство, и производительность процесса повышалась незначительно. Обработка результатов экспериментов позволила получить следующие зависимости по определению величины для абразивных лент

из зерен СВС КР [5]

(10)

из зерен 14A

, (11)

где в мм³/мин при в МПа, V в м/мин, в с, N₃ - номер зернистости.

Сравнение экспериментальных данных с расчетами по формулам (10) и (11) показывает, что расхождение значений составляет не более 15…20%. Таким образом, зная объем порового пространства и производительность процесса, можно определить период стойкости абразивных лент по формулам:

для зерен СВС КР

(12)

и для зерен 14А

. (13)

Анализ полученных выражений показывает, что при принятых режимах обработки ( и V), стойкость зависит от зернистости шкурки. Преобразуем выражения (12) и (13) для конкретных условий обработки =10 МПа, , =0,5 МПа, V=31 м/мин, тогда получим

, (14)

а . (15)

На рис. 1 показана зависимость периода стойкости лент от ее зернистости по степени заполнения порового пространства. Теоретические результаты сравнивались с периодом стойкости лент при обработке лопаток 1 ступени.

Р и с. 1. Влияние зернистости лент на стойкость инструмента (а) и основное

время обработки - (б) при виброконтактном полировании лопаток 1-й ступени на станке ЛВП-4: 1 - П8 СВС КР 16Н МА, 2 - П8 14А 16Н МА

Из приведенных данных видно, что расхождения расчетных и экспериментальных значений не превосходят 10...15%. Кроме этого установлено, что скорость заполнения межзеренного пространства для лент из зерен СВС КР больше, поэтому их период стойкости меньше. Это объясняется тем, что новые ленты обладают более высокой режущей способностью. Кроме этого, большое влияние на стойкость лент оказывает температура виброконтактного полирования. Значительная площадь контакта инструмента с заготовкой, отсутствие охлаждения ведет к тому, что образовавшееся тепло перераспределяется только между шкуркой и заготовкой.

Установлено, что повышение среднеконтактной температуры до 450…500°С приводит к полной потере устойчивости зерен, так как нагретая стружка забивает межзеренное пространство и размягчает клеевую основу, а в ряде случаев наблюдалось даже возгорание бумажной основы при отводе ложементов от лопатки. Поэтому температура в зоне обработки не должна превышать 350…400°С. Обработка экспериментальных данных позволила получить связь между температурой процесса ()и режимами виброконтактного полирования:

. (16)

Т.к. существует предельно допустимая температура обработки, то стойкость абразивных лент будет зависеть от данного фактора, и при =0,5 МПа, V = 31 м/мин зависимость (16) примет вид

, (17)

где нижний предел соответствует температуре =300°С, а верхний = 400° С. Построим зависимость от N₃ с учетом условий заполнения пор отходами полирования и температурой процесса (см. рис. 1, а).

Анализ показывает, что при виброконтактном полировании лентами из СВС КР при = 300° С достигается полное заполнение пор для зернистости 20 (точка А), для лент меньшей зернистости будет снижаться, а для большей - повышаться, достигая порядка 350° С - зернистость 40.

При виброконтактном полировании лентами из 14А температура процесса выше на 100…120° С, т.к. увеличивается время заполнения пор стружкой, а критическая температура =400° С получена при обработке лентами 16 зернистости (точка В), поэтому большей зернистостью работать нецелесообразно или необходимо снизить порог стойкости при неполном заполнении порового пространства ленты. В ряде случаев для снижения температуры полирования за счет уменьшения сил трения применяют безабразивные пасты на основе жировых смесей, которые снижают температуру на 70…110° С.

Исследования показывают, что размер дефектов литья на поверхности лопаток достигает глубины =0,05...0,15 мм, поэтому снять такой припуск за 1 проход невозможно. На практике вводят цикловой принцип обработки. Время цикла зависит от минимально допустимой стойкости абразивной ленты, применяемой на станках ЛВП-4.

При виброконтактном полировании лопаток 1 ступени турбины минимальное время цикла получено для лент зернистостью 6 и составляет = 7,5 с (см. рис.1,а). Количество циклов необходимое для снятия самых глубоких дефектов рассчитывают по формуле

, (18)

где - общее время обработки.

На рис. 1,б показано время, требуемое для снятия дефектов глубиной =0,05 мм шкурками разных зернистостей.

Установлено, что общее время обработки лентами из зерен СВС КР на 8…10 с меньше чем при виброконтактном полировании лентами с зернами 14А. При этом с увеличением зернистости лент величина уменьшается и количество циклов уменьшается на один-два.

Оценка шероховатости поверхности производилась по профилограммам, записанным на профилографе-профилометре мод. 296. Замеры проводились на лопатках по профилю пера до и после обработки. Исследованиями установлено, что после литья на поверхности лопаток наблюдались каверны диаметром до 0,1 мм и глубиной до 0,15...0,20 мм. Появление этих очагов связано с диффузионными процессами и выгоранием легирующих элементов. В связи с этим поверхность лопаток турбин обрабатывалась на пескоструйных установках для достижения шероховатости профиля не ниже R_a = 2,5 мкм. При этом дефекты литья полностью удалить не удалось, поэтому величина R_max = 100...150 мкм.

Виброконтактное полирование позволяет уменьшить шероховатость до R_a =0,14...0,16 мкм по всему профилю поверхности.

Исследования влияния времени обработки на формирование микрогеометрии поверхности при виброконтактном полировании проводили на образцах-лопатках. В начальный период времени происходило врезание зёрен в обрабатываемую поверхность, поэтому величина R_a несколько увеличивалась. Через 2…8 с процесс резания стабилизировался, и величина R_a не изменялась. По мере заступления зёрен абразивных лент шероховатость уменьшалась.

Исследования показали, что при виброконтактном полировании влияние технологических параметров на величину R_a неоднозначно. Установлено, что в изученном интервале режимов полирования на величину R_a в большей степени влияет зернистость абразивных лент, чем рабочее давление.

При обработке лентами из СВС КР увеличение давления р от 0,2 до 1,0 МПа повышает R_a в 1,2...1,4 раза. Это объясняется, по-видимому, увеличением толщины, срезаемой единичным зерном слоя. С увеличением размера абразивного зерна величина R_a повышается, что связано с увеличением работы резания. В тоже время при обработке абразивными лентами с зёрен СВС КР получена шероховатость на 10…12% ниже, чем при полировании зёрнами 14А, что обусловлено увеличением радиуса закругления вершин зёрен. В результате обработки экспериментальных данных получены эмпирические зависимости для расчета среднего арифметического отклонения профиля поверхности при виброконтактном полировании лентами:

из зёрен СВС КР

, (19)

а для зерен 14А

. (20)

Например, рассчитаем величину R_a при обработке с режимами = 0,5 МПа; V = 31 м/мин; t= 7,5 с; N₃= 16: для лент из СВС КР - R_a= 0,16 мкм, а для лент из 14А - R_a= 0,21 мкм, т.е. шероховатость увеличилась на 20%.

Исследования показали, что режимы обработки и характеристики лент влияют также на R_max, относительный опорный профиль t_p=0,1; коэффициент концентрации напряжений и другие параметры шероховатости.

С увеличением контактного давления при полировании на обработанной поверхности остается меньше следов от предыдущей технологической операции, поэтому наибольшая высота неровностей профиля R_max уменьшается, а значение t_p увеличивается. В связи с тем, что производительность процесса полирования меньше для лент из зерен 14А, на поверхности лопатки остаются дефекты большей глубины.

Исследования геометрической точности профиля пера лопатки показали, что на отдельных участках с большим углом закрутки профиля припуск не снимается полностью, поэтому с увеличением времени обработки возможно отклонение геометрических размеров пера более 0,1 мм. Это связано с тем, что в процессе обработки за счет возвратно-поступательного и качательного движения лопатки давление ложементов на отдельных участках изменяется в широких пределах. Для выравнивания давления по профилю лопатки предложено ложементы изготавливать с переменной жесткостью [6]. Переменная жесткость ложементов получается путем нанесения на рабочей поверхности ложементов пазов определенной глубины и ширины, причем шаг пазов определяется в зависимости от радиуса кривизны лопатки и жесткости материала ложементов.

Исследования показали, что после виброконтактного полирования ложементами с переменной жесткостью отклонения от геометрической точности профиля пера составила не более 0,05мм, в то время как допустимое отклонение составляет ± 0,1 мм.

Исследованиями установлено, что после обработки войлочными кругами интенсивность шаржирования составляет 1…2%, в то же время при виброконтактном полировании эта величина не превышала 0,5%. Это связано с тем, что при обработке на станке ЛВП-4 часть абразивных зерен разрушается, частицы свободно перекатываются и в определенный момент времени могут зафиксироваться в дефектах (раковинах) поверхности пера лопатки. Однако вероятность этого процесса значительно ниже, так как в зависимости от времени полирования количество дефектов уменьшается.

На основании проведенных исследований предложена математическая модель процесса виброконтактного полирования, где основными техническими ограничениями являются: режущая способность ленты, выраженная через производительность ; конструкция рабочего слоя ленты j и объем порового пространства П, температура процесса , шероховатость поверхности R_a и минимальный цикл обработки . Составим систему уравнений, характеризующих процесс виброконтактного полирования на станке ЛВП-4 абразивными лентами на бумажной основе из зерен СВС КР, которую будем решать относительно двух наиболее важных параметров процесса: стойкости и зернистости ленты N₃ :

. (21)

Для лент из зёрен 14А на бумажной основе математическая модель примет вид

. (22)

Два других параметра давление и скорость резания V изменяются в узких пределах и зависят от конструкции станка ЛВП-4.

При решении этих систем выявляется область значений параметров и N₃, т.е. границы интервалов по времени и зернистости. Найдем оптимальные значения Т_опт и N_3опт. Для этого поочередно будем решать систему уравнений, вводя для поиска максимальной зернистости ленты и стойкости лент целевую функцию , минимальной зернистости при заданном времени цикла целевую функцию , максимальной зернистости при заданном времени обработки -

Рассмотрим пример оптимизации процесса виброконтактного полирования лопаток 1-й ступени турбины на станке ЛВП-4. Кинематика станка и габариты лопатки определяют следующие параметры: V =31 м/мин, = 0,5 МПа, В₃= 60 мм, L₃= 100 мм, А_г= 6 мм, А_в= 10мм.

Абразивная лента на бумажной основе с =10 МПа имеет однослойную гексагональную упаковку зерен на рабочей поверхности с j =/3. Принимаем следующие технические ограничения >300 мм³/мин, <400°С, R_a<0,16 мкм, >8 с. После подстановки исходных данных в систему уравнений (21) и (22) и их решения получим оптимальные режимы и условия обработки лентами из зерен СВС-корунда и 14А. При обработке лентами из зёрен СВС КР диапазон зернистости лент составляет от 6 до 20, время цикла можно регулировать от 8 до 20 с. В реальном производстве предложено использовать ленту зернистостью 16 при =8с. Для обработки профиля пера лопаток возможно применение ленты из 14А зернистостью 12. В настоящее время в производстве используются ленты 16 зернистости, у которой период стойкости ограничивается величиной _кр. При этом производительность процесса обработки оказывается недостаточной, чтобы снять наиболее глубокие дефекты, поэтому количество циклов обработки и время цикла необходимо увеличить до 8 и Т_ц = 10с.

Таким образом, абразивные ленты из СВС КР оказались более универсальными и позволяют получать требуемое качество обработки в широких режимах обработки и характеристик лент.

Дефекты полирования и методы устранения.

Внедрение абразива.

Частицы абразива, впрессованные в поверхность образца. При подготовке мягких материалов, абразив может внедрятся в поверхность образца. Это происходит по следующим причинам: слишком мелкий размер частиц, шлифовальный диск или полировальное сукно имеют слишком низкую упругость, лубрикант имеет слишком низкую вязкость. Часто имеет место комбинация таких причин.