Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности производства в машиностроении на современном этапе развития техники – это, прежде всего, увеличение производительности и уменьшение себестоимости при сохранении или повышении качества, надежности и конкурентоспособности изделия. Особенно это важно при производстве ответственных деталей газотурбинных двигателей (ГТД). Выполнение этих требований во многом зависят от конкретных технологических процессов изготовления деталей, определяющих показатели эффективности изготовления изделий в целом. К таким определяющим технологическим процессам относятся процессы протягивания сложнофасонных поверхностей дисков и лопаток ГТД из различных труднообрабатываемых сталей и сплавов. Часто это единственно возможный способ обработки, например, при протягивании елочных пазов в дисках турбин, изготавливаемых из жаропрочных сплавов на никелевой и железо-никелевой основах. Протягивание таких деталей с использованием быстрорежущих протяжек на низких скоростях резания (не более 2,0 м/мин) не удовлетворяет требованиям производства по производительности обработки, по стойкости протяжек, по стабильности качества обработанной поверхности.
Известно, что применение при протягивании твердосплавных протяжек для обработки деталей ГТД позволяет повысить скорости резания до 25-30 м/мин и более. Но их внедрение сдерживается недостаточной изученностью термодинамических явлений процесса скоростного протягивания. Прежде всего, это касается изучения измененения температуры резания при протягивании деталей ГТД многосекционными блочными протяжками общей длиной до 7-8 метров, числом секций от 5 до 12 и с общим числом режущих зубьев до 400 зубьев и более. При этом по ходу движения такой протяжки конструктивно предусмотрено уменьшение подачи на черновых, получистовых и чистовых режущих зубьях от секции к секции соответственно от 0,12 мм/зуб до 0,005 мм/зуб, т.е. в 24 раза. Помимо технологических трудностей изготовления твердосплавных протяжек, сдерживающим фактором их рационального применения является сложность управления скоростью протягивания по ходу протяжки на применяемых до последнего времени протяжных станках с гидроприводом.
Известно так же, что наиболее эффективные условия резания могут быть обеспечены при протягивании на оптимальной скорости резания с обеспечением в зоне резания оптимальной температуры резания. Однако отсутствуют исследования по изменению температуры резания на зубьях многосекционных протяжек с изменяющейся величиной подачи на зубьях. С появлением в последнее время протяжных станков с ЧПУ возникла возможность установки и поддержания оптимальных условий резания путем переключения скорости резания до оптимального значения на основе предварительного моделирования и расчета термодинамических процессов взаимодействия многозубого инструмента с обрабатываемой заготовкой с учетом изменения подачи на зубьях протяжки. Однако до сих пор исследования процесса протягивания многозубыми протяжками ни теоретически, ни практически не проводились.
Поэтому изучение термодинамических явлений в зоне резания, установление влияния режимов резания на распределение температуры резания на контактных поверхностях каждого зуба многозубой протяжки и разработка методов управления скоростью резания многосекционной протяжки является в научном и практическом плане весьма актуальной задачей для современного машиностроительного производства.
Цель диссертационной работы. Повышение эффективности процесса протягивания деталей ГТД из труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ путем программируемого управления величиной оптимальной скорости резания многосекционной протяжки с учетом изменения подачи на режущих зубьях по ходу движения протяжки.
Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести системный анализ научных исследований и существующего опыта технологического обеспечения оптимальной обработки резанием труднообрабатываемых материалов многозубым инструментом на станках с ЧПУ. Рассмотреть физические основы оптимального резания при протягивании труднообрабатываемых материалов и обосновать возможность скоростного резания с применением многозубых инструментов и переключения скорости резания на станках ЧПУ с учетом изменения подачи на зуб по ходу движения протяжки;
-
Разработать методическое обеспечение проведения экспериментальных и теоретических исследований процесса протягивания многозубым инструментом;
-
Разработать математическую модель, методику и алгоритм расчета распределения температуры в зоне резания каждого зуба многозубой протяжки, находящегося в контакте с заготовкой, в зависимости от изменения скорости резания, подачи на зуб, свойств обрабатываемого и инструментального материала, количества одновременно режущих зубьев. Установить основные закономерности распределения температуры резания в зоне резания каждого зуба многозубой протяжки;
-
Провести экспериментальные исследования характера изменения температуры резания в процессе протягивания многозубой протяжкой на различных режимах резания;
-
Разработать техпроцесс изготовления комплекта многозубых многосекционных твердосплавных протяжек для протягивания елочных пазов в дисках турбины для станка с ЧПУ фирмы «HOFFMANN»;
-
Разработать методику и алгоритм программируемого управления скоростью резания для протяжного станка с ЧПУ с учетом изменения величины подачи на зубьях многосекционной протяжки и обеспечения оптимальных условий резания каждым зубом протяжки;
Методы исследований.
Для решения поставленных задач использовались основные положения теории резания металлов, технологии машиностроения, теории пластической деформации материалов, теории численных методов и методов математического моделирования.
В экспериментальных исследованиях использованы как стандартные методики и устройства для проведения температурных, силовых и стойкостных экспериментов, так и специально разработанные. Применялась вычислительная техника с использованием стандартных и специальных программ расчета термодинамических зависимостей температуры контакта и температурных полей в зоне резания.
Достоверность положений и выводов исследований подтверждалась проверкой адекватности полученных расчетных зависимостей в реальном процессе резания при лабораторных и производственных испытаниях.
На защиту выносятся:
Результаты моделирования, методика и алгоритм расчета температуры в зоне резания многозубой протяжкой.
Закономерности изменения контактных температур в зоне взаимодействия детали и многозубой протяжки в зависимости от теплофизических свойств инструментального и обрабатываемого материала, скорости резания и подачи на зуб протяжки
Способ скоростного программируемого протягивания с увеличением скорости резания до оптимальной величины в зависимости от степени снижения подачи на зуб по ходу движения многозубой многосекционной протяжки.
Научная новизна работы состоит в разработке и теоретическом обосновании термодинамической модели управляемого процесса резания при скоростном протягивании многозубым инструментом с переменной подачей на зубьях при условии обеспечения оптимальной температуры в зоне контакта каждого режущего зуба с заготовкой, в частности:
-
Разработана математическая модель расчета распределения температуры в зоне резания каждого зуба многозубой протяжки, находящегося в контакте с заготовкой, с использованием CAE системы DEFORM 2D и установлены закономерности изменения температуры резания при различных технологических условиях протягивания жаропрочных никелевых сплавов твердосплавными протяжками.
-
Установлена независимость прироста температуры резания Т на каждом последующем режущем зубе многозубой протяжки от количества зубьев, одновременно участвующих в резании заготовки при данной подаче на зубьях протяжки. При этом выявлено незначительное отклонения температуры резания в пределах ±5-7% от температуры первого зуба на всех последующих зубьях многозубой протяжки для данной подачи.
-
Доказана возможность обеспечения постоянной оптимальной температуры резания Т0 для данной пары инструментального и обрабатываемого материала на каждом зубе многозубой многосекционной протяжки путем запрограммированного переключения скорости резания до оптимального значения V0 при изменении подачи на зубьях протяжки по ходу движения.
-
Разработан новый способ скоростного протягивания с возрастающей скоростью резания по всему рабочему ходу многосекционной протяжки до оптимального значения в зависимости от степени снижения подачи на зуб на каждой секции протяжки. Получено положительное решение о выдачи патента РФ на заявку №2008141836/02.
Практическая ценность результатов работы заключается в разработке технических рекомендаций по применению нового способа скоростного протягивания путем увеличения скорости резания до оптимальной величины в зависимости от степени снижения подачи на зуб для различных секций протяжки по ходу движения. В результате применения нового способа протягивания деталей ГТД многократно увеличивается производительность процесса, повышается стойкость инструмента, стабильно обеспечивается требуемое качество поверхностного слоя деталей. Разработаны методика управления, алгоритмы и программы для управления скоростью резания протяжного станка с ЧПУ фирмы Hoffmann (Германия).
Реализация результатов исследований. Разработанные технические рекомендации по применению нового скоростного способа протягивания переданы на ОАО «ПМЗ» для внедрения в производство на горизонтально протяжном станке фирмы Hoffmann (Германия) c длиной хода 8 метров и максимальной скоростью 25 м/мин. Разработаны конструкции и техпроцесс изготовления твердосплавных многозубых многосекционных протяжек для протягивания елочных пазов в дисках турбин авиационного двигателя ПС90А. Проведены производственные испытания нового способа с переключением скорости резания при протягивании замков лопаток компрессора и пазов в дисках турбин и компрессора из жаропрочных сплавов многосекционным протяжками из ВК8 в диапазоне скоростей резания 14-32 м/мин на модернизированных протяжных станках мод. 7А540 на ОАО «ПМЗ». Результаты исследований используются в учебном процессе курсов «Технология машиностроении» и «Резание материалов» для студентов ПГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международой научно-технической конференции «Оптимизация процессов резания, разработка и эксплуатация мехатронных станочных систем», посвященной 90-летию профессора А. Д. Макарова (Уфа, 2009), на Всероссийской научно-технической конференция «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009), на международном молодежном форуме «Будущее авиации за молодой Россией» (Москва, МАКС-2009), на международой научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Донецк, 2008), на международой научно-технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Ростов-на-Дону, 2008), на международой научно-технической конференции «Перспективные технологии и материалы» (Пермь, 2008), на международой научно-технической конференции посвященной 75-летию ГИУА в Ереване «Технологии и техника автоматизации» (Ереван, 2008), на Всероссийской конференция молодых ученых и спец.-ов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2008), на международой научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008), на международой научно-технической конференции «Технологические и теплофизические аспекты управления качеством в машиностроении» («Резниковские чтения», Тольятти, 2008), на международой научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентноспособности» (Брянск, 2008), на международой научно-технической конференции «Физические и компьютерные технологии» (Харьков, 2007), на международой научно-технической конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» (Варна, Болгария, 2007), на международой научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы в машиностроении» (Пермь, 2007), на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии-2007, к 90 летию П.А. Соловьева» (Пермь, 2007) и других.
В полном объеме работа заслушана и рекомендована к защите на совместном заседании кафедр «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» Пермского Государственного Технического Университета, а также на кафедре «Резание Металлов, Станки и Инструменты» Рыбинской Государственной Авиационно - технологической Академии
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 16 таблиц, 38 формул, списка использованных источников из 69 наименований, 8 приложений. Общий объем работы 141 страницы.
