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 шлифовального 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
Приложение А Акты внедрения результатов диссертационной работы 187
- Анализ основных проблем, сдерживающих повышение производительности ПГШ при обработке лопаток ГТД из высокожаропрочных материалов
- Методика определения сопротивления усталости (предела выносливости)
- Построение силовой модели и определение плотности теплового потока при профильном глубинном шлифовании
- Экспериментальное установление взаимосвязей технологических условий и параметров качества поверхностного слоя
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 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 задачей 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 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.
1. 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.
2. Разработать комплексную модель технологического управления качеством поверхностного слоя и сопротивлением усталости турбинных лопаток при профильном глубинном шлифовании.
3. Построить теплофизическую модель процесса профильного глубинного шлифования для управления качеством поверхностного слоя по допустимой температуре.
4. Получить экспериментальные модели взаимосвязей технологических условий профильного глубинного шлифования с составляющими силы резания и параметрами качества поверхностного слоя.
5. Установить экспериментальную модель взаимосвязи параметров качества поверхностного слоя (ПКПС) после профильного глубинного шлифования и пределом выносливости турбинных лопаток.
6. Разработать методику проведения ускоренных испытаний и способ выбора шлифовальный кругов для выбора рациональных технологических условий профильного глубинного шлифования.
7. 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.
8. 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;
в сокращении трудоемкости технологической подготовки производства на основе разработки методики ускоренных усталостных испытаний и способа выбора рациональных шлифовальных кругов для ПГШ. 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 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 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 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
Известно, что ПГШ сопровождается повышенными усилиями резания и температурами, что безусловно, сказывается на изменении параметров качества поверхностного слоя и сопротивлении усталости. Это изменение необходимо учитывать при проектировании и в процессе изготовления таких ответственных деталей ГТД, как лопатки турбин.
Лопатки ТВД являются наиболее нагруженными деталями ГТД, которые соединяются с дисками турбин посредством сложнопрофильного «елочного» хвостовика. Профильные части хвостовиков рабочих лопаток ТВД в процессе эксплуатации испытывают значительные растягивающие и изгибные напряжения, а под действием высокого давления газового потока подвергаются действию изгиба и кручения. От действия вибраций в соединении хвостовика возникают значительные знакопеременные напряжения, частота которых меняется в широких пределах [2, 129]. Общее число повторных циклов нагружения лопаток ГТД за срок ее службы в результате механических вибраций достигает от 10 до 10 [86]. Так как лопатки турбин работают при температуре более 1200 С, то нагрев двигателя при запуске и быстрое охлаждение при его остановке, порождают циклические изменения термических напряжений.
Для обеспечения высокой прочности соединения лопатки и диска необходимо задать точное расположение пера лопатки в газовоздушном тракте, которое достигается высокими техническими требованиями по точности изготовления пазов диска и хвостовика, а также их взаимного расположения при сборке. Например, допуск на толщину хвостовика составляет 0,01-0,05 мм, допуск на шаг зубьев «елочного» профиля составляет ± 0,003 мм, перекос и непараллельность зубьев профиля не более 0,02 мм, допуск на отклонение по углам профиля 4-15 (рисунок 2). Величина параметра шероховатости должна соответствовать Ra 2,5 мкм.
Особенность «елочного» соединения заключается в том, что хвостовик лопатки имеет крупные размеры, более глубоко размещается в диске турбины и нагрузка от действия внешних сил перераспределяется между рабочими зубьями «елочного» профиля.
Надежность и долговечность рабочих лопаток турбин зависит не только от конструктивной прочности, от сопротивления материала циклическим и длительным статическим разрушающим нагрузкам, но и от технологии изготовления профильной части хвостовика, формирующие основные параметры качества поверхностного слоя - его физико-механические свойства, остаточную напряженность и микрогеометрию [50, 51].
Исследователи М. А. Елизаветин, А. А. Маталин, А. М. Сулима, И. А. Одинг, и др. отмечают, что причиной усталостных разрушений многих деталей является зарождение и развитие в поверхностном слое усталостных трещин в результате образования дислокаций и скопления вакансий [26, 27, 40, 45, 73, 78, 82, 112]. По данным С. Ф. Медведева трещина зарождается в зоне, соответствующей максимуму остаточных растягивающих напряжений, а глубина залегания очага усталостного разрушения зависит от эпюры распределения остаточных напряжений [74].
Усталость при высоких температурах представляет собой сложный процесс, в котором определенную роль играют явления ползучести и повреждения, характерные для длительного статического высокотемпературного нагружения. Кроме того, в материале происходит ряд специфических процессов, связанных с разупрочнением, которое при комнатной температуре не наблюдается [19], а при знакопеременных напряжениях вызывает в металле, как разупрочнение, так и упрочнение [82]. При испытаниях на длительную прочность в результате развития процессов возврата и рекристаллизации в наклепанном слое, а также вследствие повышения хрупкости материала, ослабевают границы зерен, что вызывает снижение длительной прочности [8].
В связи с высокими требованиями по долговечности и ресурсу лопаток двигателей для гражданской авиации турбин и компрессора на ОАО «ПМЗ» с 70-х годов по указанию генерального конструктора был введен обязательный контроль лопаток ТВД на усталость по хвостовику. Исследования, проведенные на предприятии показали, что при усталостных испытаниях на воздушно-пульсирующем вибростенде разрушение лопаток ТВД авиационного двигателя ПС-90А выявляются методом люминесцентного контроля в первой впадине «елочного» профиля (см. рисунок 2), причем как на радиусе R0,6 перехода впадины профиля к радиусу, так и на впадине самого профиля (рисунок За, б). При микроструктурном анализе было выявлено, что одни трещины идут под углом 30 к наружной поверхности (рисунок 4а), другие - в глубь металла под прямым углом (рисунок 46).
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 напряжения (мВт) в предел выносливости (МПа).
За предел выносливости принимается максимальное напряжение, заданное по основному тензорезистору, соответствующее наработке базы 20x106 циклов, при котором не разрушилось 6 штук лопаток. В этом случае определяется действительный предел выносливости (T.j 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 ег,. Если лопатка не разрушится до заданной базы No, то вторую испытают при амплитуде т_, + Дсг, а если разрушится, то при ст_, - Дсг. Величину Аа обычно выбирают по результатам предыдущих испытаний аналогичных конструкций с таким расчетом, чтобы большинство результатов испытаний сосредоточилось на 3-х амплитудах напряжений, расположенных около значений УХ . 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 Дсг, и 70 % лопаток, испытанных при амплитуде напряжений ниже средней на величину Аа. 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. 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.
Построение силовой модели и определение плотности теплового потока при профильном глубинном шлифовании
На ОАО «ПМЗ» вследствие повышенных требований к качеству поверхностного слоя и точности изготовления деталей ГТД, весь применяемый на операции ПГШ инструмент подвергается 100 % входному контролю, как алмазные профильные ролики, так и высокопористые шлифовальные круги. Высокопористые шлифовальные круги проходят входной контроль по соответствию геометрических параметров, контроль твердости пескоструйным и акустическим методами, контроль механической прочности, контроль неуравновешенности массы круга и контроль пористости.
При исследовании влияния ПКПС после операции ПГШ «елочных» хвостовиков лопаток турбин на сопротивление усталости использовались круги вышеуказанных характеристик следующих производителей: завод «Ильич» и «Опытный абразивный завод» (г. Санкт-Петербург), фирма «Экоабразив» (г. Москва), «Лужский абразивный завод» (г. Луга), «Волжский абразивный завод» (г. Волжский), фирма «ЭКСИ» (г. Курган), фирма «Tyrolit» (Австрия), фирма «NORTON» (Франция), фирма «Carborundum Electrite» (Чехия), фирма «Atlantics» (Германия).
При циклической и непрерывной правке использовались алмазные ролики производства ОАО «Инструментальный завод-ПМ» следующих характеристик: размеры 125x50x52 мм, зернистость алмазов 350, концентрация алмазов в ролике 100 %.
На ОАО «ПМЗ» процесс ПГШ эффективно применяется для производительной обработки профильных поверхностей деталей из труднообрабатываемых материалов, которые экономически нецелесообразно обрабатывать лезвийным инструментом с требуемой точностью, качеством поверхностного слоя и сопротивлением усталости, т. к. обрабатываемость в значительной степени зависит от структурно-фазового состава, прочностных и пластических свойств материала.
К таким деталям относятся рабочие и сопловые лопатки из литейных жаропрочных материалов ЖС6К, ЖС6У-ВИ, ЖС26-ВИ, ЖС32-ВИ, ЖС36-ВИ и ЧС70-ВИ, которыми комплектуют авиационных двигатели и газоперекачивающие установки.
Для проведения исследований выбран наиболее труднообрабатываемый из применяемых сплавов - ЖС26-ВИ. В состав новых материалов вводится большое количестве различных химических элементов, образующих твердые карбиды, упрочняющие фазы, повышающие жаропрочность при хорошей пластичности. Химический состав и физические свойства сплава ЖС26-ВИ приведены в таблицах 10-12. Лопатки и образцы из данного сплава отливаются по выплавляемым моделям в вакууме методом высокоскоростной направленной кристаллизации в расплавленном алюминии, вакуумно-индукционным способом и могут длительно работать до температуры 1100 С.
Сплав ЖС26-ВИ является единственным высокожаропрочным сплавом, не образующим горячих трещин при направленной кристаллизации со скоростью до 20 мм/мин.
По характеристикам жаропрочности, термической усталости, температуре растворения у1 - фазы, определяющей термическую стабильность и сопротивление температурным забросам, сплав ЖС26-ВИ превосходит жаропрочный сплавы типа ЖС6У-ВИ, что обеспечивает увеличение ресурса лопаток турбин в 3 и более раз, чем ранее применяемые сплавы. Предел выносливости образцов из сплава ЖС26-ВИ в зависимости от температуры испытаний приведены таблице 13.
С целью технологического управления качеством поверхностного слоя и сопротивлением усталости турбинных лопаток при максимальной производительности обработки необходимо построить модель, концептуально включающую в себя уровни определения технологического алгоритма съема припуска (ТАСП) на черновых и чистовых ходах ПГШ. Для определения ТАСП на черновых ходах наиболее корректно применение управления ПГШ по температуре в районе первой впадины «елочного» хвостовика (рисунок 32а), в котором наблюдаются трещины при испытании лопатки на усталость (рисунок 326). Особенно тяжелые условия обработки возникают в зоне первой впадины и первого зуба из-за ухудшения условий охлаждения, вызываемого боковыми «щечками» хвостовика лопатки, препятствующих попаданию СОТС в зону резания. Это служит одной из причин разрушения лопаток по первой впадине хвостовика во время усталостных испытаний.
Экспериментальное установление взаимосвязей технологических условий и параметров качества поверхностного слоя
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 [0вгШд] и макси мальной производительности обработки; - уровень управления по качеству поверхностного слоя (Ra, /„), допусти мой величине предела выносливости [ 7.i] 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 Ачерн=2,5 мм; - целевой функцией управления является максимальная производительность ПГШ и минимальное число черновых ходов (Q -» max, т -» т/л); - критерием управления, ограничивающим область допустимых технологических условий ПГШ, выступает допустимая температура [0впад] 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 Ачист=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 [#б,ю э] 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 лопаткив6пад). 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 Ла и степень наклепа UH), 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 tJ 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: YJQ" = 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.
