CC BY
122
УДК 621.452.3
Канд. техн. наук В. Ф. Мозговой1, Е. К. Березовский2, В. А. Панасенко1
]АО «Мотор Сич», 2Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ШИРОКОХОРДНОЙ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ ЛОПАТКИ ТРДД НА ФРЕЗЕРНЫХ
СТАНКАХ С ЧПУ
Представлен практический опыт решения технологической задачи обработки вентиляторной широкохордной лопатки на фрезерных станках с ЧПУ с обеспечением требуемых конструкторских параметров. Рассмотрен опыт применения цельнотвердосплавных фрез и фрез с механическим креплением твердосплавных пластин для достижения максимальной производительности.
Ключевые слова: авиационный двигатель, титановый сплав, лопатка, хвостовик, станок с ЧПУ, фреза, деформирование, скорость резания, шероховатость, подача.
Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами
Создание современных турбореактивных двух-контурных двигателей невозможно без совершенствования конструкции лопаток вентилятора. Дви-гателестроительные фирмы заняты поисками оптимальной конструкции лопатки вентилятора для перспективных ТРДД. Достижение высоких технических параметров двигателей — повышение удельной тяги и аэродинамических характеристик, снижение удельного расхода топлива и повышение КПД обуславливает отказ от применения традиционных антивибрационных полок в конструкциях рабочих вентиляторных лопаток. Для обеспечения условий прочности и устойчивости бесполочные лопатки вентилятора выполняют ши-рокохордными с высокой степенью закрутки пера. И хотя широкохордных лопаток в колесе вентилятора меньше, чем лопаток с полкой, общая масса колеса увеличивается. Соответственно, растет уровень контактных напряжений на рабочих поверхностях хвостовика лопатки и пазов диска вентилятора. Эта проблема решается путем увеличения площади контактной поверхности хвостовика лопатки с круговым пазом диска.
Заготовки вентиляторных лопаток, выполненные методом штамповки из титановых сплавов, в большинстве случаев, обрабатываются на обрабатывающих центрах с числовым программным управлением, что является традиционным в условиях современного производства. Существенное влияние на обрабатываемость деталей имеют физико-механические свойства современных титановых сплавов, из которых выполнены лопатки.
Цель работы
Представить приобретенный опыт технологии обработки широкохордных вентиляторных лопа-
ток из титановых сплавов на фрезерных станках с ЧПУ и пути решения технологических задач для достижения требуемого качества и точности обработанных поверхностей. После механической обработки на станках сравнить полученные величины отклонений точек поверхности хвостовика лопатки и точек профиля пера лопатки с требуемыми конструкторскими параметрами, заданными в чертеже.
Содержание и результаты работ
Широкохордная вентиляторная лопатка выполнена из титанового сплава ВТ6 и характеризуется большой степенью кривизны и закрутки пера (рис. 1). Лопатка устанавливается в колесо вентилятора (рис. 2) по круговому пазу. Техническая характеристика лопатки представлена в табл. 1. Заготовка лопатки выполнена методом штамповки (рис. 3). На поверхности штамповки вследствии высокой активности титана к атмосферным газам при высоких температурах металлургических процессов, образуется штамповочная корка, состоящая из окислов и нитридов [1].
Рис. 1. Модель широкохордной вентиляторной лопатки
Рис. 2. Модель диска вентилятора с круговым
©В. Ф. Мозговой, Е. К. Березовский, В. А. Панасенко, 2016
В результате этого, происходит значительное изменение физико-механических свойств поверхностного слоя заготовки, а именно: возрастает твердость, снижается пластичность и резко повышается хрупкость сплава. Возникают внутренние структурные превращения, приводящие к образованию «альфированного» слоя, который удаляют последующей механической обработкой.
Штамповка лопатки выполнена с припуском на сторону от 22 до 25 мм. Технологический процесс обработки лопатки состоит из двух взаимосвязанных этапов. Первый — это подготовка технологических баз лопатки. Схема базирования и вид технологических баз обусловлены габаритами и конструкцией лопатки (рис. 4).
Размеры технологических баз соответствуют размерам обрабатываемой лопатки, ее массе и жесткости. В качестве базы принят хвостовик лопатки. Цилиндрическая цапфа на периферии пера лопатки дает возможность дополнительно зафиксировать заготовку в двух направлениях и создать дополнительную жесткость при обработке.
Второй этап — это обработка непосредственно проточной части лопатки относительно подготовленной технологической базы. Обработка лопатки ведется за несколько операций на разных фрезерных станках с ЧПУ. При этом важным является принцип постоянства технологических баз, что положительно сказывается на точности обработки.
Круговой хвостовик лопатки (рис. 5) формируется на операциях, где снимается основной измененный слой материала. Для обработки хвостовой части лопатки последовательно с двух сторон за одну установку было разработано приспособление на 5-координатный станок с ЧПУ ИС-800. Обработка осуществляется в позиционном режиме.
Рис. 3. Заготовка вентиляторной лопатки
Таблица 1 — Геометрические характеристики широкохордной вентиляторной лопатки
Параметры лопатки Значение параметра
Высота лопатки Ишах, мм 476,3
Толщина Сшах верхнего сечения нижнего сечения, мм 5,05 15,65
Хорда Ьшах верхнего сечения нижнего сечения, мм 235,2 213,7
Яшт входной кромки выходной кромки Яшах входной кромки выходной кромки, мм 0,35 0,44 1,72 1,05
Шероховатость, Яа, мкм 1,6
Точность, мм не > 0,16
Требования к точности и шероховатости поверхностей хвостовика лопатки (рис. 6) обусловили выбор технологии и стратегию обработки детали на станке. Благодаря выбранной схеме крепления заготовки в приспособлении и используя технические характеристики модернизированного фрезерного станка с ЧПУ удалось свести к минимуму погрешности установки и перезакрепления детали, при этом, обеспечив полный объем необходимой обработки (рис. 7).
При обработке использовались фрезы компании 18СЛК с механическим креплением трехугольных твердосплавных пластин. Черновая обработка проводилась фрезой диаметром 20 мм при п = 1035 об/мин, V = 65 м/мин, подачей на зуб Ег = 0,5 мм/зуб, с числом зубьев Z = 3, ар = 0,6 мм. Чистовая обработка осуществлялась фрезой диаметром 6мм, Я = 3 мм попутным фрезерованием на режимах: п = 8900 об/мин, V= 169м/мин, Ег = 0,27мм/зуб, Е = 1000 мм/мин.
Рис. 4. Широкохордная вентиляторная лопатка
Рис. 5. Хвостовик широкохордной вентиляторной лопатки
Рис. 6. Поперечное сечение хвостовика лопатки
Рис. 7. Обработка хвостовика лопатки на фрезерном станке с ЧПУ ИС-800
В результате были получены результаты по шероховатости поверхностей хвостовика — Яа = 0,38...0,47 мкм. Для контроля геометрических размеров хвостовика лопатку измеряли на контрольно-измерительной машине, где подтвердились заявленные конструкторские параметры (рис. 8).
После обработки хвостовика лопатки, являющегося технологической базой, последующая обработка выполнялась по проточной части на двух-стоечном модернизированном станке с ЧПУ модели 4ФСЛ-8П, оснащенном системой Бшишепк-840Б (рис. 9).
Черновое фрезерование проточной части лопатки по штамповочной корке представляет наибольшие трудности из-за высокой твердости и неоднородности структуры поверхностного слоя титанового сплава. Поэтому, для обдирочного фрезерования по корке быстрорежущие фрезы непригодны [1]. В производственных условиях для предварительной обработки штамповок применялись фрезы с пластинами из твердого сплава ВК8.
Особенностью станка 4 ФСЛ-8П является возможность одновременной обработки лопатки с двух сторон за счет двух независимых суппортов
_ Отклонение, мм
ШврММг: ЦИЛ Сатрапу: ОсраКгтепГ Ркуесг: РаЛ: Ра И; по.: 6370179001 5у6Ест: АПдлтПЁ: Ьоса! Ьей- 1
ЬзеаНоп: Сй1е: 3/3/15 \fersion: 27м *от V ОвЛШМмяййч? №ЛлйЧ4! и№И1.дот.<от
Рис. 8. Результаты измерения хвостовика лопатки на контрольно-измерительной машине
Рис. 9. Фрезерование пера лопатки на станке 4ФСЛ-8П
с раздельными приводами главного движения. Управление суппортами осуществляется системой ЧПУ по двухканальному принципу с независимым управлением. Для создания благоприятных условий резания и минимизации упругих деформаций лопатки в процессе обработки движения фрез были программно синхронизированы таким образом, чтобы точки приложения сил резания с двух сторон лопатки были взаимно симметричны относительно пера лопатки (рис. 10, рис. 11).
Черновая обработка осуществлялась дисковыми фрезами диаметром 270 мм компании КСАЯ с механическим креплением круглых твердосплавных пластин Я = 8 мм. Количество пластин — 26 шт. Обработка осуществлялась на режимах: п = 48 об/мин, ¥мин = 40 мм/мин для первого врезания и ¥мин = 180 мм/мин для установившихся режимов резания. Оставляемый припуск по поверхности лопатки составил 3 мм.
Однако после черновой обдирки проточной части лопатки прикорневой участок остался необработанным по причине «теневой» зоны для дисковых фрез. Доработка теневых зон осуществляется за несколько переходов цельнотвер-досплавными фрезами на модернизированном станке ФП-17, оснащенного системой ЧПУ WL-4M (рис. 12).
Обработка лопатки осуществляется последовательно с двух сторон в специальном приспособлении, в котором лопатка после установки и закрепления принимает наклонное положение относительно горизонтали, позволяющее «открыть» теневые зоны прикорневых участков (рис. 13).
Обработка проводится цельнотвердосплавным коническим инструментом из сплава Н10Б на режимах п = 200 об/мин, V = 16...20 м/мин, ¥ = 100... 140 мм/мин. Основной задачей данной операции является выравнивание припуска с ос-
новным припуском до 3 мм в области прикорневого участка лопатки и предварительная обработка бандажной полки хвостовика лопатки со стороны профиля пера (рис. 14).
Рис. 10. Моделирование чернового фрезерования периферии пера лопатки
Рис. 11. Моделирование чернового фрезерования в средней части пера лопатки
Рис. 12. Станок с ЧПУ ФП-17, оснащенный системой ЧПУ WL-4M
Предварительно обработанная лопатка проходит термическую обработку, после которой проводится чистовая обработка проточной части профиля и бандажной полки пера лопатки на обрабатывающем центре Turbomill-1200g (рис. 15). Для расчета управляющей программы применялся специализированный программный продукт компании LIECHTI-TURBOSOFT plus. Для сравнения полученных результатов был подготовлен про-
Рис. 14. Фрезерование прикорневого участка пера лопатки на станке с ЧПУ ФП-17
ект обработки лопатки в CAD/CAM системе UG/ NX. При сравнении двух вариантов результаты обработки были сопоставимы по чистоте обработанной поверхности и отклонениям точек профиля пера лопатки.
Кинематика и техническая характеристика станка позволила применить особый вид механической обработки — токарное фрезерование, при котором лопатка, закрепленная в синхронизированных шпинделях, вращается с переменной окружной скоростью вокруг своей оси, а качающийся шпиндель станка повторяет заданное технологом угловое положение оси инструмента относительно оси лопатки для обеспечения постоянства скорости резания [2]. При установке лопатки на станок в качестве технологической базы используется хвостовик лопатки. С торца лопатки в качестве дополнительного поддерживающего элемента используется бобышка с двумя точечными упорами, дополнительно передающими крутящий момент шпинделя приводного стола.
Рис. 15. Обрабатывающий центр TURBOMILL-1200g
Схема фрезерования представляет собой спиральную кривую с продольным шагом, обеспечивающим требования по шероховатости обработанной поверхности. Схема чистового фрезерования лопатки поперечными строками обусловлена тем, что при обработке деталей с помощью поперечной подачи при вращающейся заготовке ее жесткость изменяется с изменением припуска равномерно как со стороны спинки, так и со стороны корыта.
Для поддержания оптимальных значений эффективного рабочего диаметра инструмента, угол наклона фрезы при движении по поперечной строке должен постоянно меняться (рис. 16). Данный механизм исключает процессы пластического деформирования и подмятия металла вершиной инструмента при нулевом значении угла. Значение угла наклона оси фрезы, определяющее окружную скорость резания в каждой точке контакта, устанавливают, исходя из условия величины деформации пера лопатки, не превышающей допуск на размеры обрабатываемой поверхности [2].
Для фрезерования применяется фреза диаметром 30 мм с механическим креплением твердосплавных пластин. Применяемые пластины имеют радиус 6мм. Наклон оси инструмента исключает точки с нулевой скоростью резания, что положительно сказывается на качестве обработки. При задании параметров обработки в системе ИО/КХ угол опережения оси инструмента (угол Р) изменялся от 5 до 15 градусов относительно нормали к поверхности в точке касания инструмента и обрабатываемой детали. Боковой наклон фрезы отсутствовал (рис. 17).
Скорость резания составляла V = 80...85 м/мин, подача на зуб Бг = 0,07...0,3 мм/зуб, число зубьев фрезы г = 4. Число зубьев фрезы, ее диаметр и число оборотов шпинделя принимается с учетом геометрии проточной части лопатки, значений
Рис. 16. Схема положения инструмента на поверхности заготовки:
Ш — нормаль к поверхности в точке контакта инструмента с деталью; СП — вектор оси инструмента;
рг — угол опережения инструмента
Рис. 17. Визуализация управляющей программы
радиусов и участков двойной кривизны. Эти параметры определяют частоту колебаний сил резания, деформирующих деталь [2]. Частота этих колебаний должна быть не менее чем на два порядка выше частоты собственных колебаний заготовки. В этом случае деталь из-за своей инертности не успевает деформироваться под действием сил резания [2]. Обработку лопатки проводили на частоте вращения шпинделя п = 890...900 об/мин.
Прикорневой участок лопатки обрабатывался концевой фрезой диаметром 10 мм, Я = 5 мм с коническим телом режущей части на режимах: V = 95...100м/мин, подача Бг = 0,08...0,1 мм/зуб, г = 4 (рис. 17). Стратегия обработки отличалась от стратегии обработки проточной части лопатки. Характер конструкторского построения сопряжения проточной части и бандажной полки лопатки предопределил стратегию обработки и выполнялся с программно «зажатой» 5-й осью. Таким образом, обработка проводилась в 4-х координатах с углом опережения оси инструмента от 15 до 25 градусов.
Результаты измерений обработанной лопатки на измерительной машине показали соответствие заявленным параметрам фактически полученным на станке с учетом оставленного припуска под
при обработке лопатки на станке TurbomШ-1200g
финишную обработку (рис. 18). После фрезерования технологическую бобышку удаляют и лопатку направляют на финишную обработку. В результате чистовой обработки вентиляторной лопатки на станке Turbomill-1200g были достигнуты требуемые точностные параметры и шероховатость обработанных поверхностей.
Практика показала, что применение высокоскоростного фрезерования на обрабатывающих центрах с одновременным управлением инструмента в 5-ти координатах обеспечивает при обработке проточной части и прикорневого участка вентиляторной лопатки получение требуемых геометрических размеров в пределах припуска на финишную обработку.
После фрезерования на последующие операции оставлялся припуск, величина которого необходима для устранения следов от строчек фрезы при стыковке разных проходов в зоне радиусов переходов, входных и выходных кромок. Этот припуск достаточно быстро удаляется ручной доводкой с проверкой геометрических размеров и размера пера по хорде.
Шероховатость обработанной поверхности измерялась профилометром. Результаты измерений показаны в табл. 2.
Таблица 2 — Шероховатость поверхностей после финишного высокоскоростного фрезерования
Условный номер лопатки Значение шероховатости, Ra, мкм Среднее значение, Ra, мкм
Черт. Измерения
1 2 3
1 1,45 1,58 1,9 1,64
2 1,6 1,18 1,75 1,59 1,51
3 1,78 1,71 1,58 1,69
4 1,55 1,5 1,62 1,57
Выводы
Представленная технология формообразования вентиляторной лопатки является результатом проведенных экспериментальных работ по определению рациональной стратегии фрезерной обработки сложнопрофильных деталей, которыми являются рабочие вентиляторные лопатки. Применение производственного опыта в решении практических задач по обработке родственных деталей позволит повысить качество обработки поверхностей и стабильность получаемых размеров.
Список литературы
1. Панасенко В. А. Черновое фрезерование ши-рокохордных вентиляторных лопаток твердосплавным инструментом на станках с ЧПУ / Панасенко В. А., Качан А. Я., Мозговой В. Ф. // Авиационно-космическая техника и технология. - 2009. - №10 (67). - С. 21-26.
2. Полетаев В. А. Технология автоматизирован -ного производства лопаток газотурбинных двигателей / Полетаев В. А. - М. : Машиностроение, 2006. - 257 с.
Поступила в редакцию 14.03.2016
Мозговий В.Ф., Березовський 6.К., Панасенко В.О. Формоутворення широкохордно! вентиляторно! лопатки ТРДД на фрезерних верстатах з ЧПК
Представлено практичный doceid ршення технолог1чно13adani обробки вентиляторноi широкохордног лопатки на фрезерних верстатах з ЧПК i3 забезпеченням неoбхiднiх конст-рукторських параметрiв. Розглянуто дocвiд застосування суцльнотвердосплавних фрез та фрез з мехашчним кртленням твердосплавних пластин для досягнення максимальноi продуктивность
Кгючот слова: ав^аи^1йний двигун, ттановий сплав, лопатка, хвостовик, верстат з ЧПК, фреза, деформування, швiдкicтьрзання, шорстксть, подача.
Mozgovoi V., Berezovskii E., Panasenko V. Fabrication extansive fan-driven blade of aircraft engines on milling CNC machine
Practical experience of the decision of a technological problem processing blade on milling machines CNC with maintenance of demanded design parametres is presented. Considered аpplication experience mills tools with mechanical fastening plates for achievement of the maximum productivity.
Key words: aviation engine, titanium alloy, shovel, shaft, CNC machine, milling, deformation, speed of cutting, a roughness, giving.
