Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследования 16
1.1 Профильное глубинное шлифование как эффективный способ повышения производительности обработки жаропрочных литейных сплавов 18
1.2 Анализ основных проблем, сдерживающих повышение производительности ПГШ при обработке лопаток ГТД из высокожаропрочных материалов 28
1.3 Анализ результатов исследований влияния технологических условий механообработки и качества поверхностного слоя на сопротивление усталости деталей ГТД 41
1.4 Выводы по главе 48
1.5 Цель и задачи исследования 49
2 Методическое обеспечение исследований 51
2.1 Аналитические методы построения модели профильного глубинного шлифования . 51
2.1.1 Методика построения тепловой модели профильного глубинного шлифования 51
2.1.2 Методика построения силовой модели профильного глубинного шлифования 52
2.2 Экспериментальные методы исследования ПГШ 52
2.2.1 Методика определения силы резания 52
2.2.2 Методика определения температуры 58
2.2.3 Методика определения параметров качества поверхностного слоя 65
2.2.4 Методика определения сопротивления усталости (предела выносливости) 65
2.3 Методика планирования экспериментов 76
2.3.1 Методика планирования поисковых экспериментов 76
2.3.2 Методика планирования многофакторных экспериментов и регрессионный анализ 78
2.4 Методика проверки комплексной многоуровневой модели управления 84
2.5 Оборудование, инструмент и образцы для проведения исследований процесса профильного глубинного шлифования 86
3 Теоретическая разработка модели профильного глубинного шлифования 95
3.1 Разработка теплофизической математической модели для расчета температурных полей процесса профильного глубинного шлифования хвостовиков лопаток 97
3.2 Определение площади пятна контакта профильного шлифовалыюго круга с заготовкой 108
3.3 Построение силовой модели и определение плотности теплового потока при профильном глубинном шлифовании 111
3.4. Выводы по главе 114
4 Экспериментальное построение модели технологического управления качеством и сопротивлением усталости турбинных лопаток при профильном глубинном шлифовании 115
4.1 Экспериментальные исследования теоретической модели профильного глубинного шлифования 115
4.1.1 Экспериментальная проверка силовой модели и анализ силовых зависимостей 115
4.1.2 Экспериментальная проверка теплофизической модели и определение теплового баланса 120
4.2 Экспериментальное установление взаимосвязей технологических условий и параметров качества поверхностного слоя 129
4.3 Экспериментальное установление взаимосвязи качества поверхностного слоя и сопротивления усталости 140
4.4 Построение модели технологического управления качеством и сопротивлением усталости турбинных лопаток при профильном глубинном шлифовании 144
4.5 Экспериментальная проверка модели 147
4.6 Выводы по главе 149
5 Практическое применение результатов исследований 150
5.1 Алгоритм прикладной программы для определения рациональных технологических условий профильного глубинного шлифования 150
5.2 Технологические условия профильного глубинного шлифования, определенные с помощью модели технологического управления качеством и сопротивлением усталости турбинных лопаток 157
5.3 Способ выбора шлифовальных кругов на основе ускоренной методики определения сопротивления усталости образцов 163
5.4 Выводы по главе 168
Заключение 169
Список использованных источников 171
- Анализ основных проблем, сдерживающих повышение производительности ПГШ при обработке лопаток ГТД из высокожаропрочных материалов
- Методика определения сопротивления усталости (предела выносливости)
- Определение площади пятна контакта профильного шлифовалыюго круга с заготовкой
- Построение модели технологического управления качеством и сопротивлением усталости турбинных лопаток при профильном глубинном шлифовании
Введение к работе
Повышение производительности механообработки при стабильном обеспечении требуемого качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей газотурбинных двигателей (ГТД) является приоритетным направлением современного авиадвигателестроения.
Сокращение трудозатрат, снижение себестоимости обработки при обеспечении стабильно высокого качества и ресурса работы особоответственных деталей повышает конкурентоспособность авиационных двигателей. Это достигается внедрением новых более эффективных технологических процессов или значительным совершенствованием применяемых, особенно на финишных этапах обработки деталей. Одним из высокопроизводительных методов финишной обработки деталей авиационных двигателей из труднообрабатываемых материалов является процесс глубинного шлифования.
За последние 20-30 лет отечественными и зарубежными учеными проведено большое число исследований в области глубинного шлифования. Проведены глубокие научные исследования механизма стружкообразования, кинематики и динамики процесса, стойкости шлифовальных кругов, экспериментального и теоретического определения силы и температуры шлифования и др. В результате этих исследований и внедрения процесса глубинного шлифования в производство достигнуто повышение производительности по сравнению, например, с фрезерованием до 5 раз при формировании более благоприятного качества поверхностного слоя.
Однако, эффективное использование на производстве данных научных разработок не всегда оказывается возможным, так как при внедрении процесса выявляется множество нерешенных проблем. Причинами неудовлетворительной реализации научных разработок зачастую являются противоречивость рекомендаций по назначению технологических условий обработки, отсутствие комплексности и системности при анализе и
8 выявлении рациональных технологических условий процесса обработки и определение основных параметров качества обрабатываемых деталей, оторванность конкретных научных разработок от требований производства. Многие экспериментальные исследования проводились методом моделирования на образцах при плоском глубинном шлифовании на модернизированных плоскошлифовальных станках. В то же время при профильном глубинном шлифовании (ПГШ) конкретных лопаток турбин на специальных станках-автоматах накладывается много дополнительных неучтенных факторов. Поэтому на практике зачастую приходится существенно снижать режимы обработки этих деталей по сравнению с режимами, рекомендуемыми различными исследователями.
Решение проблемы повышения производительности ПГШ при одновременном обеспечении требуемого качества и ресурса таких ответственных деталей, как лопатки турбин, являются достаточно сложной залачей в связи с разработкой и применением новых высокожаропрочных литейных сплавов на никелевой основе типа ЖС26-ВИ, ЖС32-ВИ и ЧС70-ВИ для изготовления турбинных рабочих лопаток современных двигателей ПС-90А и ПС-90А2, испытывающих температуры свыше 1200 С. Новые высокожаропрочные литейные сплавы позволяют увеличить ресурс работы лопаток в 3-5 раз, чем используемые ранее' сплавы типа ЖС6К. Более высокая жаропрочность новых сплавов обусловлена включением в их состав большего количества различных химических элементов, образующих твердые карбиды, упрочняющие фазы, повышающие жаропрочность при хорошей пластичности, что обуславливает низкую температуропроводность и чувствительность к резким перепадам температур. В свою очередь, это приводит к ухудшению обрабатываемости сплавов, снижению производительности и повышению себестоимости ПГШ.
Кроме того, снижение производительности ПГШ часто связано с необходимостью обеспечить высокие требования по качеству поверхностного слоя и сопротивлению усталости лопаток турбины высокого
9 давления (ТВД). Эти требования обеспечиваются путем снижения эффективности режимов обработки (уменьшении глубины резания, увеличении числа ходов и правок шлифовальных кругов и т. д.) и общим снижением производительности.
В связи с этим задача существенного повышения производительности ПГШ является весьма актуальной, Одним из эффективных путей повышения ПГШ хвостовиков лопаток турбин является разработка и применение научно-обоснованной модели системного технологического управления качеством поверхностного слоя и сопротивлением усталости, чему и посвящена настоящая работа.
Цель работы — повышение производительности профильного глубинного шлифования на основе разработки комплексной модели технологического управления качеством поверхностного слоя и сопротивлением усталости турбинных лопаток.
Для достижения цели поставлены следующие задачи.
Провести анализ применения профильного глубинного шлифования деталей из труднообрабатываемых материалов, а также анализ проблем обеспечения качества поверхностного слоя и сопротивления усталости в связи с увеличением производительности профильного глубинного шлифования.
Разработать комплексную модель технологического управления качеством поверхностного слоя и сопротивлением усталости турбинных лопаток при профильном глубинном шлифовании.
Построить теплофизическую модель процесса профильного глубинного шлифования для управления качеством поверхностного слоя по допустимой температуре.
Получить экспериментальные модели взаимосвязей технологических условий профильного глубинного шлифования с составляющими силы резания и параметрами качества поверхностного слоя.
Установить экспериментальную модель взаимосвязи параметров
10 качества поверхностного слоя (ПКПС) после профильного глубинного шлифования и пределом выносливости турбинных лопаток.
Разработать методику проведения ускоренных испытаний и способ выбора шлифовальный кругов для выбора рациональных технологических условий профильного глубинного шлифования.
Создать алгоритм и пакет прикладных программ для определения рационального технологического алгоритма съема припуска при профильном глубинном шлифовании на основе комплексной модели технологического управления качеством поверхностного слоя и сопротивлением усталости.
Определить рациональный технологический алгоритм съема припуска, обеспечивающий повышение производительности профильного глубинного шлифования турбинных лопаток с помощью пакета прикладных программ и внедрить в производство.
Методы исследования. При выполнении работы использовались научные основы технологии машиностроения и теории шлифования, основы теплофизики и математической физики, численно-аналитические методы математического анализа. Экспериментальные исследования проводились в производственных и лабораторных условиях при обработке конкретных деталей ГТД и образцов на специальных станках и установках с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры по стандартным и разработанным автором методикам с использованием метода планирования экспериментов, множественного регрессионного анализа и статистической обработки результатов исследований. Обработка экспериментальных данных и математические расчеты осуществлялись на современных ПЭВМ с использованием стандартных и специально разработанных программ.
Достоверность научных результатов определяется корректным
проведением экспериментов и проверкой результатов на адекватность,
соответствием результатов аналитических исследований и
экспериментальных данных, а также положительными результатами
внедрения технологических рекомендаций на операциях ПГШ турбинных лопаток (подтверждена актами внедрения).
Научная новизна работы. Разработана комплексная модель технологического управления качеством поверхностного слоя и сопротивлением усталости при профильном глубинном шлифовании деталей из жаропрочных сплавов," позволившая определить рациональный технологический алгоритм съема припуска, существенно повышающий производительность обработки. В том числе:
построена теплофизическая модель профильного глубинного шлифования хвостовика лопатки для управления качеством поверхностного слоя по допустимой температуре;
установлены основные закономерности и разработаны математические модели взаимосвязи технологических условий профильного глубинного шлифования с составляющими силы резания, параметрами качества поверхностного слоя (шероховатости поверхности, максимальных остаточных напряжений сжатия I рода, степени наклепа);
выявлена экспериментальная взаимосвязь между основными параметрами качества поверхностного слоя и сопротивлением усталости турбинных лопаток из жаропрочных сплавов;
разработана ускоренная методика проведения усталостных испытаний и на ее основе способ выбора рациональных шлифовальных кругов (патент РФ №2217730 от 16.07.2001 МПК7 G 01 N 3/32).
Практическая ценность работы заключается:
в разработке пакета прикладных программ на основе модели управления ПКПС и сопротивлением усталости при ПГШ хвостовиков лопаток;
в обеспечении существенного повышения производительности обработки турбинных лопаток при ПГШ за счет применения технологического алгоритма съема припуска, рассчитанного на базе пакета программ;
12 - в сокращении трудоемкости технологической подготовки производства на основе разработки методики ускоренных усталостных испытаний и способа выбора рациональных шлифовальных кругов для ПГТІТ, Реализация работы. Результаты работы внедрены в виде технологических условий по назначению режимов ПГШ «елочных» хвостовиков турбинных лопаток из жаропрочных литейных сплавов ЖС26-ВИ и ЧС70-ВИ в ОАО «Пермский моторный завод» (ОАО «ПМЗ») и ОАО «Авиадвигатель». На ОАО «ПМЗ» внедрен пакет прикладных программ и методика ускоренных усталостных испытаний и способа выбора шлифовальных кругов.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования были представлены на четырех Международных научно-технических конференциях «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (г. Волжский, 1998, 1999, 2000, 2001 г.г.), научно-технической конференции «Повышение качества изготовления и эксплуатационных характеристик деталей машин технологическими методами» (г. Пермь, 1998 г.), Международной научно-практической конференции «Технология, инновация, качество-99» (Казань, 1999 г.), Всероссийских научно-технических конференциях «Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов» и «Теплофизика технологических' процессов» (Рыбинск, 1999, 2000 г.г.), Международной конференции «Технологии третьего тысячелетия» (Санкт-Петербург, 2003 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 23 печатные работы, в том числе 16 статей, 6 тезисов докладов и 1 патент.'
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения, содержит 189 страниц, 63 рисунка, 21 таблицу, 155 наименований литературных источников.
В первой главе рассмотрены современные направления развития и
13 основные особенности профильного глубинного шлифования. Приведены результаты сравнения профильного глубинного шлифования с другими видами механообработки, доказывающие повышение производительности. Отмечены основные отличия кинематики и динамики процесса глубинного шлифования, которые могут приводить к высокой теплонапряженности, и тем самым, к снижению качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей из жаропрочных сплавов. Рассмотрены основные проблемы, сдерживающие рост производительности при внедрении процесса ПГШ турбинных лопаток из новых жаропрочных литейных сплавов на ОАО «ПМЗ» на технологических условиях, обеспечивающих требуемое качество поверхностного слоя и сопротивление усталости. Раскрыты особенности влияния основных ПКПС (шероховатость поверхности, остаточные напряжения сжатия 1-го рода, наклеп) на сопротивление усталости деталей ГТД из жаропрочных сталей и сплавов. В заключении первой главы на основании анализа состояния проблемы и выбранного направления исследований ставятся цель работы и задачи исследования.
Во второй главе приведено описание теоретических и экспериментальных методик исследования, определения динамических характеристик процесса ПГШ, параметров качества поверхностного слоя и сопротивления усталости. Представлены контрольно-измерительная аппаратура и оборудование для измерения составляющих силы резания, средней температуры шлифования, усталостных испытаний, ПКПС, а также специально разработанная автором технологическая оснастка, методика измерения температуры шлифования с препарированием турбинных лопаток искусственными термопарами. Даны обоснования . выбора исследуемого диапазона технологических условий ПГШ, описания методик планирования экспериментов и множественного регрессионного анализа. Показан ход экспериментальных исследований, методика обработки экспериментальных данных и их проверка на адекватность. Приводятся методики проверки теоретических исследований. Раскрыты разработанные методики проведения
14 ускоренных усталостных испытаний и способа выбора высокопористых шлифовальных кругов.
Третья глава посвящена теоретической разработке процесса профильного глубинного шлифования. Разработана аналитическая теплофизическая модель процесса ПГШ «елочного» зуба хвостовика, устанавливающая влияние большинства технологических условий, учитывающая определение профильного пятна контакта, составляющих силы профильного шлифования и расчет суммарной плотности теплового потока. Полученная модель может быть использована для управления процессом ПГШ по температуре в районе первого зуба и впадины хвостовика при черновых режимах обработки.
Четвертая глава содержит результаты построения модели технологического управления качеством поверхностного слоя и сопротивлением усталости. Проведена проверка теоретической модели процесса ПГШ по температуре шлифования и составляющим силы резания. Получены экспериментальные модели взаимосвязей технологических условий ПГШ и ПКПС, и взаимосвязи ПКПС и сопротивления усталости. На базе теоретических и экспериментальных исследований построена комплексная модель технологического управления качеством поверхностного слоя и сопротивления усталости турбинных лопаток при ПГШ. Полученная модель . позволяет определить максимально производительный технологический алгоритм съема припуска при обеспечении ПКПС и сопротивления усталости турбинных лопаток,
В пятой главе приводится алгоритм прикладной программы, построенной на базе модели технологического управления качеством поверхностного слоя и сопротивления усталости турбинных лопаток при ПГШ. Определен, экспериментально опробован и внедрен рациональный технологический алгоритм съема припуска, обеспечивающий требуемое качество поверхностного слоя и сопротивление усталости турбинных лопаток, повышающий производительность профильного глубинного
15 шлифования. Разработаны методика проведения ускоренных усталостных испытаний и способ выбора высокопористых шлифовальных кругов, подтвержденные экспериментальными исследованиями.
В заключении сделаны выводы по материалу диссертации.
В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной работы.
Автор выражает благодарность научному руководителю работы канд. техн. наук, профессору, заслуженному работнику высшей школы РФ Евсину Е. А. и научному консультанту д-ру техн. наук, профессору Макарову В. Ф,, а также инженерам и сотрудникам экспериментально-технологического цеха ОАО «ПМЗ» за помощь в построении концепции работы, проведении экспериментов и внедрении полученных результатов в производство.
Анализ основных проблем, сдерживающих повышение производительности ПГШ при обработке лопаток ГТД из высокожаропрочных материалов
При глубинном шлифовании вследствие формирования длинных тонких стружек абразивный инструмент должен иметь достаточное пространство для ее удаления, что обеспечивается использованием высокопористых шлифовальных кругов [146]. Снижения теплонапряженности глубинного шлифования можно достичь применением мягких шлифовальных кругов с открытой структурой и высокой пористостью, обеспечивающими уменьшениє плотности распределения абразивных зерен, размещение стружки и подачи СОТС в зону резания через поры круга [17, 37, 153]. Постоянное исследование в области создания абразивных инструментов позволили разработать в МГТУ «СТАНКИН» новые высокопористые круги более открытой структуры, позволяющие повысить коэффициент шлифования в 2 раза [28, 96], а также изготавливать шлифовальные круги с двойной пористостью, обеспечивающие лучший теплоотвод [69]. Перспективным направлением повышения производительности является использование при глубинном шлифовании кругов из абразива Sol-Gel и эльбора, позволяющие снизить тепловыделение в зоне обработки и сократить время шлифования почти в 2 раза за счет большей теплопроводности и стойкости зерен [137, 140, 152]. Одной из новых разработок в области изготовления инструмента является изготовление высокопористых эльборовых кругов на керамической связке, например, круги «Аэробор» абразивного завода «Ильич» (г. Санкт-Петербург), которые обеспечивают бездефектную производительную обработку при ПГШ, но требуют использования станков с высокой скоростью шпинделя и жесткостью [46, 145].
Процесс шлифования связан с самозатачиванием и износом режущих зерен. Для поддержания режущей способности шлифовальных кругов применяют циклическую и непрерывную правки шлифовальных кругов. Значительное повышение производительности, точности и качества деталей из труднообрабатываемых материалов можно достичь использованием непрерывной правки шлифовальных кругов профильными алмазными роликами. За счет постоянной режущей способности кругов происходит снижение сил и энергии резания и мощности, обеспечивается более высокая точность профиля круга и стабильные теплофизические характеристики [133, 138, 142, 148].
История возникновения непрерывной правки относится к 1965 году и упоминается в работах В. В. Авакяна и Н. Wiemann [1, 142]. В современных специальных станках для глубинного шлифования применяются независимые приводы для врезной непрерывной правки шлифовальных кругов с бес 26 ступенчатым регулированием скорости вращения. Алмазные ролики изготавливаются методом гальванопластики и могут иметь профиль любой сложности и высокой точности. Для врезной правки большое значение имеет зернистость алмазов ролика, выбор которой обусловлен требуемой шероховатостью поверхности и радиусом при вершине профиля. Обычно при ГТГШ применяют ролики с зернистостью 200/160 - 350/250.
Главным отличием абразивных инструментов при врезном типе правки является переменная глубина резания, зависящая от соотношения скоростей шлифовального круга и правящего ролика. Основными технологическими условиями при правке установлены: радиальная подача ролика (0,5-1,0 мкм/об. кр. или 2-5 мкм/мин) и соотношение скорости ролика к скорости круга, равное 0,55...0,85 [138, 142, 148]. Непрерывная правка, как правило, применяется на станках с ЧПУ, поскольку в процессе правки шлифовального круга для обеспечения непрерывного и стабильного процесса шлифования необходимо автоматически компенсировать величину правки автоматическим перемещением шлифовального круга и ролика. Для обеспечения постоянной скорости резания на станках с ЧПУ используется автоматическое бесступенчатое регулирование оборотов шлифовального круга.
Повышение производительности обработки неразрывно связано с возможностью появления дефектов в поверхностном слое, поэтому многие исследователи В. А. Сипайлов, П. И. Ящерицин, Н. К. Старцев, Н. С. Рыкунов, А. В. Лобанов, Д. И. Волков, Ю. С. Чесов, В. А. Аксенов и др. [3, 15, 57, 95, 103, 110, 124, 132] посвятили свои работы изучению влияния тепловых процессов, возникающих при шлифовании, на качество поверхностного слоя.
Для обеспечения стабильного качества при шлифовании и при разработке новых технологий необходимо управлять процессом обработки. В качестве критерия управления процессами шлифования рекомендуется использовать температуру, энергетический критерий обработки или мощность главного привода станка [4, 13, 16, 30, 31, 41, 77, 83, 109, 118, 127]. Для обеспече 27 ния максимальной производительности, требуемого качества и точности при шлифовании исследователи П. И. Ящерицин, В. В. Звоновских, В. И. Свирщев, А. А. Николаенко и др. рекомендуют определять технологический алгоритм съема припуска (ТАСП), особенно при обработке ответственных деталей авиационных двигателей [29, 79, 80, 98, 131].
В результате проведенного анализа можно заключить, что использование глубинного шлифования увеличивает производительность обработки, повышает точность обработки профильных поверхностей, сокращает затраты на механическую обработку. При глубинном шлифовании деталей из труднообрабатываемых материалов на производительных режимах могут возникать поверхностные дефекты, поэтому были проведены теоретические исследования процесса. Большинство описанных выше теоретических работ посвящено исследованию процесса плоского глубинного шлифования, в то время как на практике глубинное шлифование применяется именно для обработки профильных поверхностей, в том числе деталей ГТД из труднообрабатываемых материалов. Профильное шлифование отличается от плоского большей длиной контакта и худшими условиями охлаждения.
Таким образом, для повышения производительности и обеспечения предотвращения образования дефектов поверхностного слоя деталей и повышающих их эксплуатационные свойства, одной из главных задач является управление технологическими условиями обработки по температуре с определением рационального алгоритма съема припуска и схемы подачи СОТС.
Методика определения сопротивления усталости (предела выносливости)
Принцип действия стенда ВЭДС-200А заключается в следующем: механические колебания стола вибратора, совпадающие с его вертикальной осью и возникающие в результате взаимодействий переменного тока подвижной катушки с постоянным магнитным полем электромагнита, передается закрепленным на столе изделию и пьезоэлектрическому датчику. Электрический сигнал с пьезодатчика, пропорциональный виброускорению, поступает на блок измерения вибрации. Питание и управление вибратором осуществляется системой управления вибратором СУВ-1 и усилителем УПВ-1,5Л.
Управление стенда может быть ручное или автоматическое. При ручном управлении вибратором, сигнал с пьезодатчика подается в блок измерения вибрации, а частоту колебаний стола задают в ручную на блоке генератора синусоидальных колебаний системы СУВ-1 или внешнего генератора. При автоматическом управлении сигнал с пьезодатчика подается на вход автоматического подержания параметров вибрации.
Проведение усталостных испытаний лопаток производится на воздушно-пульсирующем стенде ВПС-35 (рисунок 28а). Данный стенд предназначен для вывода на резонансную частоту небольших лопаток, имеющих высокую жесткость. В качестве возбудителя колебаний является модулирующий диск с отверстиями и сопло подачи сжатого воздуха. Принципиальная схема стенда представлена на рисунке 286.
Усталостные испытания проводятся по первой форме изгибных колебаний лопаток по симметричному циклу на базе испытаний - 20x10 циклов. Режим испытаний задается и контролируется по основному и дополнительным тензорезисторам. Периодические колебания обеспечиваются за счет подачи сжатого воздуха через модулирующий вращающийся диск с отверстиями. Необходимая частота колебаний лопатки достигается выбором соответствующего модулирующего диска и мультипликатора, обеспечивающего необходимую скорость вращения диска. Для испытаний хвостовик лопатки устанавливается и закрепляется в зажимном приспособлении по «елочному» профилю, затем с помощью камертона тарируется аппаратура для перевода электрического на предел выносливости принимается максимальное напряжение, заданное по основному тензорезистору, соответствующее наработке базы 20x10 циклов, при котором не разрушилось 6 штук лопаток. В этом случае определяется действительный предел выносливости сг_/ лопаток турбин. Разрушение лопаток определяется люминесцентным контролем.
Для проведения усталостных испытаний и обработки результатов в данной работе был выбран метод лестницы [126]. Этот метод требует меньшего количества лопаток, чем метод пробитов, однако он дает неплохие результаты при определении среднего предела выносливости т_, для заданной базы испытаний. Первая лопатка испытывается при амплитуде напряжений цикла, равной ожидаемому пределу выносливости а,. Если лопатка не разрушится до заданной базы No, то вторую испытают при амплитуде о_, + Дет, а если разрушится, то при 0"_, - Д 7 . Величину Да обычно выбирают по результатам предыдущих испытаний аналогичных конструкций с таким расчетом, чтобы большинство результатов испытаний сосредоточилось на 3-х амплитудах напряжений, расположенных около значений G\ . Амплитуды напряжений следует выбирать таким образом, чтобы не разрушилось около 50 % процентов лопаток, испытанных при средней амплитуде, 30 % лопаток, испытанных при амплитуде напряжений выше средней на величину Да , и 70 % лопаток, испытанных при амплитуде напряжений ниже средней на величину Да. Для выбора оптимальных амплитуд допускается проводить предварительные оценочные испытания, которые затем не учитываются. Обработка результатов испытаний по методу «лестницы» производится следующим образом. Подсчитывается общее число разрушений и общее число неразрушений, после чего анализируются только события с меньшей частотой появления. При равном числе разрушений и неразрушений анализируется любое из двух событий. Вычисляется среднее значение предела выносливости по формуле Методика проведения ускоренных испытаний образцов из жаропрочного сплава для определения предела выносливости. Технологическая подготовка образцов к исследованию, механическая обработка и схема проведения усталостных испытаний были максимально приближены к серийной технологии изготовления и испытания турбинных лопаток. Заготовки отливок образцов из сплава ЖС26-ВИ подвергались предварительной обработке фрезерованием и шлифованием для точного выполнения размеров, особенно строго выполнялись следующие из них: - ширина и толщина образца; - радиусы перехода к тонкой исследуемой части; - длиновой размер тонкой части образца, от начала радиуса до вершины. Все заготовки после черновой обработки прошли высокотемпературный отжиг при температуре 960 С и выдержке в течение 3,5 часов для снятия остаточных напряжений от предварительной обработки по серийной технологии изготовления турбинных лопаток из сплава ЖС26-ВИ. Обработка паза-концетратора производилась на станке, оснастке и инструменте описанном выше. Перед усталостными испытаниями паз образца подвергался дальнейшей обработке, аналогично серийной технологии изготовления «елочного» хвостовика турбинной лопатки, а именно: - слесарная обработка радиусов во впадине резиноабразивными, войлочными и капроновыми кругами; - серийный высокотемпературный отжиг; - упрочняющая дробеструйная обработка микрошариками из быстро режущей стали Р6М5 на ротационной дробеметной установке. Далее проводились усталостные испытания на стенде ВЭДС-200А, описанном выше.
Определение площади пятна контакта профильного шлифовалыюго круга с заготовкой
Методика проверки силовой модели ПГШ. Модель расчета составляющих силы резания, построенная на основе методики приведенной в п. 2.1,2, проверяется экспериментальными моделями расчета составляющих силы Р: и Pv, которые зависят от таких технологических условий ПГШ, как глубины шлифования /ut7, скорости детали V m и твердости шлифовального круга по звуковому индексу ЗИ. Экспериментальные модели получены с помощью методики замера силы резания, описанной в п. 2.2.1, и методики планирования полного факторного эксперимента, описанной в п. 2.3.2. Модели сравниваются по численным значениям и графическим зависимостям составляющих Pz и Ру от глубины шлифования /„.„ скорости подачи детали V em и твердости шлифовального круга ЗИ.
Методика проверки тепловой модели ПГШ. Модель расчета температурных полей в «елочном» зубе хвостовика лопатки, построенная на основе методики, приведенной в п. 2.1.1, проверяется экспериментальными исследованиями определения температуры в первой впадине «елочного» хвостовика
Для оценки влияния режимов на температуру шлифования было выбрано несколько алгоритмов съема припуска при ПГШ, такие как, серийный режим обработки за 14 ходов, два режима шлифования за шесть ходов и один — за четыре хода. Методика измерения температуры в первой впадине хвостовика изложена в п. 2.2.2. Результаты расчета и измерения температуры в первой вшиине сравниваются по диаграммам. Методика проверки комплексной многоуровневой модели управления. После проверки аналитических выражений экспериментальными исследованиями выполняется проверка комплексной многоуровневой модели управления ПКПС и сопротивления усталости на двух уровнях: - проверка черновых ходов на основе тепловой модели процесса ПГШ; - проверка чистовых ходов на основе модели расчета параметров качества поверхностного слоя и сопротивления усталости. На первом уровне комплексной модели для каждого чернового хода при серийных технологических условиях определяется температура шлифования в районе первой впадины и сравнивается с максимально допустимой. На втором уровне - для всех чистовых ходов определяются параметры качества поверхностного слоя и предел выносливости, который сравнивается с минимально допустимым. Результаты соответствия серийных технологических условий ПГШ по обоим уровням комплексной модели являются подтверждением работоспособности комплексной многоуровневой модели управления качеством и сопротивлением усталости.
Оборудование, инструмент и материал для проведения исследований Экспериментальные исследования процесса ПГШ проводились на специальных профилешлифовальных полуавтоматах с ЧПУ двух типов - двух- шпиндельном и одношпиндельном. Данные станки используются на ОАО «ПМЗ» для профильного глубинного шлифования более 900 наименований турбинных лопаток из литейных жаропрочных сплавов. Применяемые на ОАО «ПМЗ» специализированные профилешлифо-вальные двухшпиндельные полуавтоматы с ЧПУ фирмы «Elb-Schliff» (Германия) моделей SS13L и SS13-CNC предназначены для ПГШ «елочных» хвостовиков рабочих лопаток турбин (рисунок 29а, б). Лопатки устанавливаются в кассеты, затем кассеты по направляющим подаются на стол станка и закрепляются в зоне обработки. Стол станка имеет продольный ход, что обеспечивает обработку обеих сторон хвостовика лопатки двумя высокопористыми шлифовальными кругами, расположенными сверху и снизу. Правка на модели SS13L осуществляется циклически алмазным профильным роликом, расположенным на столе станка. На модели SS13-CNC правка может быть как циклическая от стола, так и непрерывная с помощью двух устройств правки, расположенных рядом со шлифовальными бабками. При правке кругов также используются алмазные профильные ролики. Обработка «елочных» хвостовиков лопаток турбин для исследования ПКПС и сопротивления усталости, а также экспериментальное определение средней температуры в первой впадине проводилось в производственных условиях на станке модели SS13L. Специальные профилешлифовальные одношпиндельные полуавтоматы с ЧПУ модели ЛШ-220 ОАО «Липецкий станкостроительный завод» и модели MicroCut 4-250S фирмы «Elb-Schliff» (Германия), используемые на ОАО «ПМЗ», предназначены для ПГШ рабочих и сопловых лопаток турбин с непрерывной правкой шлифовального круга. Экспериментальные исследования составляющих силы резания, обработка образцов для исследования ПКПС, обработка специальных образцов для усталостных испытаний проводились в производственных условиях на станке модели ЛШ-220 (рисунок 30а, б).
Построение модели технологического управления качеством и сопротивлением усталости турбинных лопаток при профильном глубинном шлифовании
Комплексная модель технологического управления качеством и сопротивлением усталости турбинных лопаток при многопроходном профильном глубинном шлифовании состоит из двух основных уровней управления (рисунок 54); - уровень управления качеством поверхностного слоя по критериям макси мально допустимой температуры во впадине первого зуба [ввпад] и макси мальной производительности обработки; - уровень управления по качеству поверхностного слоя (7?а, UH), допусти мой величине предела выносливости [ст.;] и максимальной производительно сти обработки (Q - max). Уровень управления качеством поверхностного слоя. Уровень управления качеством поверхностного слоя преследует цель определения максимально производительных технологических условий высокопроизводительного ПГШ на черновом этапе обработки при условии обеспечения максимально допустимой температуры. При управлении качеством поверхностного слоя: - объектом управления является процесс ПГШ с припуском Ач?рн 2,5 мм; - целевой функцией управления является максимальная производительность ПГШ и минимальное число черновых ходов (Q - max, т — min); - критерием управления, ограничивающим область допустимых технологических условий ПГШ, выступает допустимая температура [0в,ша] в районе первой впадины «елочного» хвостовика; - управляемыми параметрами являются технологические условия черновых ходов ПГШ. Уровень управления сопротивлением усталости. Уровень управления сопротивлением усталости преследует цель определения максимально производительных технологических условий высокопроизводительного ПГШ на чистовом этапе обработки при условии обеспечения минимально допустимого предела выносливости. При управлении сопротивлением усталости: - объектом управления является процесс ПГШ с припуском Лчиап=0\3мм; - целевой функцией управления является максимальная производительность ПГШ и минимальное число чистовых ходов {Q — max, т — min)\ - критерием управления, ограничивающим область допустимых технологических условий ПГШ, выступает максимально допустимая температура [#fi,Wd] в районе первой впадины «елочного» хвостовика; - управляемыми параметрами являются технологические условия чистовых ходов ПГШ. Для реализации вышеперечисленных уровней управления необходимо построение трех функциональных блоков: - блок процесса высокопроизводительного ПГШ, в котором иссле дуются контактные явления ПГШ (рассчитываются составляющая силы шлифования Р-\ плотность теплового потока, направленная в деталь q em\ площадь пятна контакта при профильном многоходовом шлифовании S и температура шлифования в районе первой впадины хвостовика лопаткив6„од). Расчетная величина температуры сравнивается с допустимой; - блок качества и сопротивления усталости, в котором происходит расчет параметров качества поверхностного слоя и определение предела выносливости, по которому происходит управление в блоке. Для определения предела выносливости рассчитываются параметры качества поверхностного слоя (шероховатость поверхности Ra и степень наклепа Uu), влияющие на сопротивление усталости (см. п. 4.3); - блок определения рационального технологического алгоритма съема припуска при ПГШ. Данный блок является единым для обоих уровней управления по алгоритму нахождения целевой функции. В нем происходит определение максимальной скорости детали для каждого хода, после чего определяется производительность Q" = V JtJ для каждой глубины шлифования с максимально допустимой подачей, и строятся технологические алгоритмы съема припуска. Далее выбирается самый производительный из алгоритмов, обеспечивающий максимальный съем в единицу времени за меньшее число ходов: ?" = max, т = min. В качестве исходных данных блоков 1 и 2 используются: — физико-механические свойства материала заготовки; - геометрия заготовки и детали; — характеристики абразивного и правящего инструмента; - технологические режимы ПГШ для черновых и чистовых ходов. Таким образом, расчет по блокам 1 и 2 обеспечивает получение рациональных технологических условий на черновом этапе обработки, а расчет по блокам 3 и 2 — рациональных технологических условий на чистовом этапе обработки. Построение алгоритма программы расчета, а также нахождение рационального технологического алгоритма съема припуска многопроходного высокопроизводительного ПГШ реализовано в следующей главе.
Экспериментальная проверка комплексной многоуровневой модели технологического управления качеством поверхностного слоя и сопротивлением усталости турбинных лопаток при ПГШ проводилась в соответствии с п. 2.4 на двух уровнях: при черновом и чистовом ПГШ. Проверка осуществлялась на серийном технологическом алгоритме съема припуска.
Результаты проверки на первом уровне по теоретической модели процесса ПГШ показали, что в районе первой впадины «елочного» хвостовика на всех ходах серийного режима (вариант №1) значения температуры не превышают допустимой температуры 360 С (таблица 16). Это подтверждает рациональность серийного режима по температурному критерию и может использоваться для прогнозирования технологических условий чернового ПГШ, создающих соответствующее качество поверхностного слоя при определенной производительности шлифования.
При проверке комплексной многоуровневой модели на втором уровне при чистовом ПГШ по экспериментальным моделям показала, что серийный режим ПГШ обеспечивает требуемые ПКПС и сопротивление усталости (таблица 18).
