CC BY
40
УДК 621. 91
РАСЧЕТ РАВНОДЕЙСТВУЮЩЕЙ СИЛ РЕЗАНИЯ НА ЗАМОК ЛОПАТКИ КОМПРЕССОРА ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ
ПРОТЯГИВАНИИ
Г. Д. Петухов, В.Ф. Макаров
Рассмотрены силы, возникающие на режущей кромке в процессе протягивания одновременно с трех сторон. Предложен метод снижения общей силы резания за счет изменения угла режущей кромки. Приведены примеры расчета расположения сменных твердосплавных пластин для проектирования сборной конструкции протяжного инструмента.
Ключевые слова: сборная протяжка, сила резания, равнодействующая сила, решение, формула, расчет.
Обработку сложных фасонных поверхностей замков лопаток и пазов в дисках и кольцах ГТД на различных заводах моторостроения ведут различными методами: фрезерованием, маятниковым шлифованием, протягиванием и глубинным шлифованием. Одним из наиболее производительных методом обработки замковых поверхностей лопаток компрессора является протягивание. Однако главной проблемой современного протягивания является применение быстрорежущих протяжек и применение низких скоростей резания (1,5—3 м/мин.) [1].
Идея увеличения скорости резания до 30 м/с и более при протягивании замковых поверхностей лопаток компрессора весьма актуальна в современной промышленности. В связи с резким увеличением оборонных заказов встает очень остро вопрос об оптимизации производственного процесса, снижение трудоемкости, увеличение качества обрабатываемой поверхности. В условия среднесерийного производства не маловажным является быстрое устранение поломок режущего инструмента, особенно когда речь идет о сборных конструкциях и специальном инструменте. Применение сборных конструкций режущего инструмента позволяет более гибко использовать режимы резания, быстро производить переналадку в случае поломки (замена пластины), снижать трудоемкость, получать более точную и чистую обрабатываемую поверхность и т.д. [2]. Важно, что такой инструмент позволяет обрабатывать одновременно несколько поверхностей.
Однако данное положительное качество может стать угрозой поломки тонких (с малой жесткостью) деталей. Так как лопатка компрессора при протягивании крепиться за перо, возможно механическое разрушение со стороны входной/выходной кромки.
На рис. 1 видно, что силы резания Ру1 и Ру2 действуют вниз как бы вытягивания перо лопатки. Суммы этих сил собственно и может произвести разрушение. Другая сила Ру3 действует вверх, она нейтрализует влия-
ние этих сил. Однако при большом значении силы, действующей вверх, она может наоборот сжимать ребро лопатки. При данном условии разрушения не произойдет, но перо может деформироваться и образоваться внутренние напряжения. Оптимальным решение будет свести равнодействующую силу резания к минимальному (неопасному) значению, либо к нулю.
Зона Возможной поломки пера
7Н\7
7F7I
Рис. 1. Направление сил резания Ру при протягивании замковых поверхностей лопатки компрессора одновременно с трех сторон
Разложим боковые силы Py на составляющие части (рис. 2).
/ руг Р у 2" \
Г..........................Jjyl
7 Ч'уЗ
Рис. 2. Направление сил резания Py при протягивании замковых поверхностей лопатки компрессора одновременно с трех сторон
Из рис. 2 видно, что противодействующими силами для Pz3 является силы Py{ и Py2'. Они действуют в одной плоскости и направлены строго в противоположную сторону.
Следует произвести расчет и определить необходимые угол наклона зубьев у каждой из сторон. Это даст возможность спроектировать и изготовить протяжку с оптимальным влиянием силы резания, изготовить протяжки для каждой лопатки в отдельности. Также возможно спроектировать настраиваемую протяжку с изменяемым углом резания для различных условий и припусков. Однако это снизит жесткость крепления пластины. Такое решение может быть применено в производстве при небольших значениях сил резания. При наклоне режущей кромки пластины сила резания Pz' разбивается на Pz и Px. Действие силы Px направлено противоположно силы резания Py3, которая возникает при обработке подошвы. Это необходимо учитывать при расчетах равнодействующей силы. Выводим формулу равнодействия сил в поперечной плоскости:
Py • sin « + Py 2 • sin « + Py3 • sin «3 + Pq • sin a + Px 2 • sin a2 = 0, (1)
где Px2 и Px3 — силы резания, возникающие при наклоне режущей кромки твердосплавной пластины, a — угол наклона силы Px.
Угол a практически всегда будет равняться 270°, sin(270°)= -1. Знак минус обозначает противоположное направление действия силы (вниз). Получив необходимые формулы для проектирования сборных конструкций протяжного инструмента, произведем расчет по предыдущим данным. Длины обрабатываемых сторон равняются ^1=4мм, £2=4мм, L3=11мм.
Py1 = pL^in « = 1180 • 4 sin (340° )= 1180 • 4(- 0,342) = -1614,5 МПа,
Py 2 = pL2 sin «2 = 1180 • 4sin(340° )= 1180 • 4(- 0,342) = -1614,5 МПа, /
Py3 = Py3 = pL3 sin « = 1180 11sin90° = 1180 11 1 = 12980МПа,
Pz1 = pL1 = 1180 • 4 = 4720 МПа.
Т.к. L1=L2, следует, что Pz1= Pz2=4720 МПа.
Находим силы Px:
Px1 = Px2 = Pz sin45° = 3337,54МПа .
Произведем расчет равнодействующей силы:
Py 1 + Py2 + Py3 + Px1 sin a1 + Px2 sin a2 =-1614,5 -1614,5 +12980 +
+ (-1)3337,54 + (-1)3337,54 = 3075,92 МПа.
Из расчета видно, что доминирующей силой является вертикальная сила Py3, действующая на подошву замка лопатки. Действующие боковые силы и наклон режущих пластин в сумме уменьшает её действие в 4,22 раза. Изменение угла наклона режущих кромок снизило действие наибольшей силы почти в 2 раза. Это весьма эффективный результат. При малых наклонах боковых режущих сил Py наклон пластин в сумме поможет максимально возможно снизить нагрузку на перо лопатки в процессе протягивания.
При проведении экспериментальных работ доказано, что при помощи изменения углов можно влиять на суммарную силу резания Ру за счет увеличения зоны резания Ь отдельных сил Ру{, Ру2', Ру3.
При анализе была выведена зависимость степени изменения для различных материалов. При расчетах силы резания Ру используется значение силы резания р, приходящей на 1мм длины лезвия. Для сплава ВТ8М р =1180 МПа, у сплава ЭИ787-ВД р =1180 МПа, у сплава ВЖЛ-14 р =950 МПа [3].
Учитывая, что сила резания Ру = р Ь и основная нагрузка действует на подошву лопатки, для уравновешивания (максимального снижения) общей силы резания при протягивании из сплавов ВТ8М и ЭИ787-ВД потребуется большая корректировка угла наклона, чем у сплава ВЖЛ-14. Исходя из известных значений удельных сил выводим закономерность через коэффициент наклона Кн угла резания.
Зависимость удельной силы резания и коэффициента наклона Кн угла режущей кромки пластины от материала обрабатываемой заготовки
Материал Удельная сила резания p, МПа Коэффициент наклона Кн угла режущей кромки пластины
Титановый сплав ВТ8М 1180 1,24
Жаропрочный сплав ЭИ-787-ВД 1180 1,24
Жаропрочный литейный сплав ВЖЛ-14 950 1
Из таблицы видно, что при проектировании сборной конструкции протяжки с применением наклонных режущих зубьев (для уравновешивания/снижения суммарной силы резания) необходимо применять коэффициент наклона Кн для различных авиационных материалов. Для обработки лопаток с одинаковыми размерами, но из различного материала, рекомендуемый угол наклона зуба будет равен Кн-ф.
Подставим расчетные данные в формулу для жаропрочного сплава ЭИ-787-ВД и жаропрочного литейного сплава ВЖЛ-14 для достижения подобного результата.
Для ЭИ-787-ВД практически ничего не изменится, поэтому:
Pyi ■ sin o>i + Py2 • sin w>2 + Pyз • sin Ю3 + Pxi ■ sin ai + Px^ ■ sin a2 =-1614,5 -
-1614,5 +12980 + (-1)3337,54 + (-1)3337,54 = 3075,92 МПа.
177
Для ВЖЛ-14:
Py[ = pL1 sin « = 950 • 4 sin (340° )= 950 • 4(- 0,342) = -1299,6 МПа,
Py 2 = pL2 sin «2 = 950 • 4sin (340° )= 950 • 4(- 0,342) = -1299,6 МПа, /
Py3 = Py3 = pL3 sin« = 950 11sin90° = 950 11 1 = 10540МПа,
Pz1 = pL1 = 950 • 4 = 3800МПа .
Т.к. L1=L2, следует Pz1= Pz2=3800 МПа.
Находим силы Px:
Px1 = Px2 = Pz sin45° = 3800sin36,45° = 2257,7МПа.
Произведем расчет равнодействующей силы:
/ / /
Py1 + Py2 + Py3 + Px1sin a1 + Px2sin a2 =-1299,6 -1399,6 +10450 + + (-1)2257,7 + (-1)2257,7 = 3335,4 МПа.
Из представленных расчетов видно, что для снижения доминирующей нагрузки в два раза необходимо развернуть режущую кромку пластины под следующим углом:
титановый сплав ВТ8М - угол наклона 45°;
жаропрочный сплав ЭИ-787-ВД — угол наклона 45°;
жаропрочный литейный сплав ВЖЛ-14 — угол наклона 36,45°.
Вывод.
В связи с резким увеличением оборонных заказов встает очень остро вопрос об оптимизации производственного процесса, снижение трудоемкости, увеличение качества обрабатываемой поверхности.
При обработке замковых поверхностей лопаток компрессора одновременно с трех сторон возникает опасность поломки пера лопатки ввиду малой жесткости.
Одним из решений этой проблемы является уравновешивание (снижение) суммарной силы резания путем изменения угла наклона режущей кромки сменной твердосплавной пластины. Изменение угла наклона ю увеличивает длину рабочей зоны L1 до L2.
При изменении угла резания сила резания Pz разбивается на два вектора. При этом возникает сила Px, которая тоже оказывает своё влияние на общую силу резания.
Эффективность влияния на значение суммарной силы резания путем корректировки расположения режущих кромок составляет 20-30 %. Это решение позволит уравновесить (или максимально снизить) опасное напряжение, образующееся в процессе протягивания замковых поверхностей лопаток компрессора из труднообрабатываемых материалов.
Экспериментально подтверждена возможность корректировки значения силы резания Py во избежание поломок тонких элементов лопатки компрессора (по перу).
Для обработки лопаток с одинаковыми размерами, но из различного материала, рекомендуемый угол наклона зуба будет равен Кн-ф.
Для снижения суммарной силы резания на определенную величину при обработке сплавов требуется различные углы наклона режущей кромки, который рассчитывается по приведенным формулам.
Список литературы
1. Макаров В.Ф., Петухов Г.Д. Расчет и проектирование сборных конструкций протяжек для скоростного протягивания замков лопаток компрессора // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. Пермь, 2015. Т. 17. № 3. С. 101-109.
2. Макаров В.Ф. Оптимизация протягивания труднообрабатываемых материалов: монография. Старый Оскол: ТНТ, 2014. 440 с.
3. Александров В.Г. Справочник по авиационным материалам. М.: Транспорт, 1972. 328 с.
Петухов Григорий Дмитриевич, асп., вед. инженер-технолог, [email protected], Россия, Пермь, АО ««ОДК-Пермские моторы»,
Макаров Владимир Федорович, д-р техн. наук, зам. зав. кафедрой, [email protected], Россия, Пермь, Пермский научно-исследовательский политехнический университет
CALCULATION EQUALLY EFFECTIVE CUTTING FORCES ON THE COMPRESSOR SHOVEL LOCK AT HIGH-SPEED DRAWING
G.D. Petukhov, V.F. Makarov
Consider the forces arising on the cutting edge in the process of pulling simultaneously on three sides. Formulas for calculation of resultant force. A method is proposed for reducing the overall cutting force by changing the angle of the cutting edge. Examples of the calculation of the location of indexable carbide inserts for the design team design the broaching tool.
Key words: national broach, cutting force, resultant force, solution, formula, calculation.
Petukhov Gregory Dmitrievich, postgraduate, the Vedas. process engineer, [email protected], Russia, Perm, JSC «UEC-Permmotors»,
Makarov Vladimir Fedorovich, candidate of technical science, deputy head of department, makarovv@pstu. ru, Russia, Perm, Perm national Research Polytechnic University
