CC BY
45
УДК 621.9.047; 658.562
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ТУРБИНЫ
А.И. Болдырев, Г.А. Сухочев
Работа посвящена вопросам повышения показателей качества изделий транспортных систем с использованием метода комбинированного воздействия при образовании каналов деталей, показаны возможности расчета оптимальных режимов финишной и упрочняющей обработки. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований
Ключевые слова: канал, имитатор, плоский образец, вибрация, комбинированная обработка
Исследование влияния условий и параметров режима комбинированной обработки на показатели качества поверхностей деталей типа «турбина» изделий различных транспортных систем осуществлялась путем обработки имитатора (рис. 1), содержащего сквозной щелевидный канал, на плоских поверхностях которого закреплялись плоские типовые образцы из различных материалов. Предложенная схема имитатора была принята потому, что большинство деталей лопаточного типа характеризуются
следующими геометрическими параметрами: 8к тш -минимальное межлопаточное расстояние; Ьк - продольный размер канала; 1к - длина оси поперечного сечения канала; р - угол сужения канала в его поперечном сечении; фтах - наибольший угол видимости труднодоступных поверхностей; а - угол наклона продольной оси канала к радиальной плоскости деталей.
1
2
3
4
5
6
Рис. 1. Схема имитатора канала: 1 - прижим; 2 - образец плоский, смонтированный на открытой поверхности; 3 - болт; 4 - образец плоский, смонтированный в канале; 5 - бобышка; 6 - пластина
Номинальные размеры образцов, мм:
70x20x1,2 мм. Параметр шероховатости их плоскостей - Яа исх = 0,4 мкм. Эталонные образцы из стали У8А были термообработаны до твердости НЕ.СЭ=47-51, а термообработка образцов из других материалов была произведена в соответствии с технологиями натурных деталей, изготавливаемых из этих материалов (см. таблицу).
Болдырев Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. (4732) 53-09-73
Сухочев Геннадий Алексеевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 58-37-15
Механические характеристики ___________образцов_________
Марка материала образца Предел текучести стт, МПа Твердость (по Брин-нелю) НВ, МПа Исходная микротв. (сердцев.) H0.49исх, МПа
У8А 1400 4500 3500
ВНЛ-1М 940 3500 2500
ВНЛ-6 1060 3800 2700
ЖС3ДК-ВИ 850 3200 3100
ВЖЛ-14 720 2600 2500
ЭП741П 820 3000 3500
ВНС-25 850 2800 2400
ВТ5-1КТ 700 2400 2600
Определяемыми показателями качества обработки поверхностей образцов являлись: 7об - прогибы образцов, мм; ДН049 - изменение поверхностной микротвердости МПа; ен - степень наклепа поверхностей образцов, %; ан об - глубина наклепа, мм; стсж тах - максимальное остаточное напряжение сжатия, МПа; Яа - параметр шероховатости, полученной в результате обработки, мкм. Целью эксперимента являлось установление зависимости показателей качества открытых поверхностей и поверхностей плоских типовых образцов, закрепляемых в контейнере, от параметров режима комбинированной обработки, времени обработки, геометрических характеристик имитатора межлопаточного канала, физико-механических характеристик материала и исходной шероховатости обрабатываемых поверхностей. При проведении эксперимента сохранялись постоянными минимальная величина межлопаточ-ного расстояния (Бк тт=6мм) и минимальная площадь поперечного сечения канала (Бк тт=360 мм2, при протяженности канала Ьк=60 мм).
Высота имитатора детали, выражающая длину проекции оси канала на главную ось детали составляла 30 мм. В качестве гранул рабочей среды использовались стальные шарики диаметром 2,5 мм, имеющие насыпную плотность 4700 кг/м3. Высота столба гранул над поверхностью имитатора в его рабочем положении в каждом цикле процесса наработки изменялись в пределах от 150 до 50 мм, насыпной объем виброэкструдируемой через канал рабочей среды составлял 1,12х10-3 м3.
Обработку осуществляли в специальном устройстве для виброэкструзионной обработки [2] при частоте колебаний контейнера £=20 Гц при расположенной в вертикальной плоскости эллиптической траектории колебаний и периодической промывкой гранул токопроводящей СОЖ. Для анодного растворения микродефектов и выравнивания микрорельефа поверхности в процессе обработки к плоским образцам посредством закрепляющих винтов подводилось низкое (2-5 В) напряжение, а бобышки 5 имитатора(рис. 1) были выполнены из диэлектрического материала.
Целевые параметры эксперимента:
У1=2об1 - прогиб образца на открытой поверхности;
У1=2об2 - прогиб образца, находящегося в канале слева;
У1=2обз - прогиб образца, находящегося в канале справа;
У4=У и1- условная средняя скорость истечения рабочей среды через имитатор межлопаточного канала.
Прогибы образцов, образованные в результате их обработки, определялись измерением их действительного прогиба на прогибомере специальной конструкции [1]. Условную среднюю скорость истечения рабочей среды через имитатор межлопаточно-го канала, в каждом из его рабочих положений, определяли замерами объёмного расхода при этом истечении. Зависимость каждого из целевых парамет-
ров совокупности варьируемых факторов представлена в виде
У=Ь0+Ь1Х1+Ь2Х2+Ъ3Х3+Ъ4Х4+Ь5Х5+ЬбХб+Ъ23Х2Х3. (1)
После вычисления коэффициентов этого уравнения и исключения незначимых коэффициентов, уравнения регрессии для целевых параметров имеют вид:
у1=0,33+0,046х1+0,096х3-0,071х6, (2)
у2=0,2+0,034х1+0,081х3+0,049х5-0,036х6, (3)
у3=0,24+0,031х1+0,084х3-0,061х6, (4)
у4=0,12-0,014х2+0,011 х4+0,011 х5. (5)
По абсолютным величинам коэффициентов уравнений (2)-(5) можно сделать вывод о том, что на величину прогиба образцов наибольшее влияние оказывает величина вертикальной составляющей амплитуды колебаний. Кроме того, на величину прогиба образцов влияют время обработки имитатора и исходная шероховатость обрабатываемых поверхностей. На параметр У2 влияет, также, величина угла наклона продольной оси канала к плоскости имитатора детали, что объясняется наиболее «затененным» положением 2-го образца по отношению к столбу рабочей среды. Величины статического давления вкладыша на столб рабочей среды (для принятых уровней этого фактора в данном эксперименте) и угла сужения канала на величину прогиба образцов существенного влияния не оказывают.
Это объясняется тем, что, для принятых уровней фактора (вертикальная составляющая амплитуды колебаний детали) и частоте колебаний £=20Гц, режимы обработки далеки от оптимального: "^у таХ=34,71 при Х3=-1 (Аду=0,0022 м);
Wду таХ=59,95 м/с2, при Х3=1 (Аду=0,0038 м). Абсолютные величины коэффициентов уравнения (5) показывают, что условная средняя скорость истечения рабочей среды через канал в наибольшей степени зависит от величины угла сужения канала и в меньшей степени - от величины Рвк ст и а. После перехода от кодированных к натуральным значениям факторов уравнения регрессии (2)-(4) в виде:
Zоб1=-0,05+0,003tl + 120Аду-0,11Raисх, (6)
2об2=—0,38+0,0021]+101Аду+0,003а—0,06^^^,^)
2об3=-0,07+0,00211+105Аду-0,09Каисх, (8)
У*и1=0,096+0,0007а-0,0028р+7,333РВК СТ. (9)
На рис. 2 показан полученный из уравнений (6)-(9) график зависимости прогиба образцов от их расположения, вертикальной составляющей амплитуды колебаний имитатора детали и шероховатости
обрабатываемых поверхностей, при 1^=60 мин и а=90о.
О 0,0025 0,0035 м
Рис. 2. График зависимости прогиба образцов от их расположения, вертикальной составляющей амплитуды колебаний имитатора и шероховатости поверхностей, при ^=60мин и а=90о:
-----Ra исх=0,4 мкм;
-----Ra исх=1,6 мкм
Из графика видно, что увеличение амплитуды колебаний ведет не только к увеличению прогиба различно расположенных образцов, но и к увеличению соотношений Zоб2 / Zобl и Zобз / Zобl, т.е. - к повышению равномерности упрочнения обрабатываемых поверхностей имитатора детали. По данным графика, указанные соотношения при Аду=0,0038 м, составляют 0,68...0,75 и характеризуют высокую равномерность обработки имитатора детали. При этом, средняя шероховатость обработанных поверхностей составляла: на открытой поверхности имитатора -К.а1=0,12-0,18 мкм, на поверхностях в канале -мкм.
Для сравнения был проведен дополнительный эксперимент, в котором имитатор детали обрабатывался обычным способом виброобработки и почти в тех же условиях, что и при виброэкструзионной обработке. Для этого канал снизу был закрыт стальной пластиной, а вся рабочая среда в процессе обработки находилась в вышерасположенной плоскости контейнера, над имитатором детали и в канале. Обработку провели в течении 60 мин. при Аду=0,0038м, а=90о, Рвк ст=0 и Raисх= 0,4 мкм. Для р=10° и р=20°, получаем результаты, характеризующие интенсивность и равномерность обработки имитатора:
- при р=10°: Zоб1=0,62 мм, Zоб2«Zоб3=0,08 мм, Zоб2/ Zоб1 ~ Zобз/ Zоб1 =0,13, ^=0,13...0,16 мкм, К.а2я®а3=0,34..Д38 мкм;
- при р=20о: Zоб1=0,62 мм, Zоб2«Zоб3=0Д3 мм, Zоб2/ Zобl ~ Zобз/ Zобl =0,21, ^=0,13...0,16 мкм,
Н.а2я®а3=0,31...0,35 мкм.
Влияние величины а, р, и Рвк ст на величину условной средней скорости истечения рабочей среды через канал показано на рис. 3.
V* , м/с
и ’
J
2
V*, /, и 1 ЦУ 1
V*, 4 г 5 Г
\ V X. /
\ 1
10 12 14 16 18 р, град
Рис. 3. Зависимость величины условной средней скорости истечения рабочей среды от угла раскрытия канала в различных зонах:
-----Яа исх=0,4 мкм;
-----К-а исх=1,6 мкм
Из графика видно, что на величины объемного расхода и скорости истечения рабочей среды через межлопаточные каналы реальных деталей, помимо учтенных в данном эксперименте влияют и другие факторы, связанные как с режимом обработки, так и с геометрическими характеристиками поверхности реальных межлопаточные каналов, физикомеханическими и гранулометрическими характеристиками рабочей среды различных составов. Учитывая линейность зависимостей 2обі=/і(Ууд) и условия обработки поверхностей имитатора детали в данном эксперименте при Аду=0,0022 м и Аду=0,038 м, можно определить линейную зависимость 2об1=2об=/(Кк), справедливую для обычных условий виброобработки, т. е. при постоянном значении контактного усилия Кь
Для этого определили следующие характеристики взаимодействия обрабатываемых поверхностей и столба рабочей среды в условиях данного эксперимента (амплитуда колебаний детали А, ее вертикальная составляющая У, виброускорение W и скорость гранул V, фазовый угол соударения юЦ, контактное давление Ру и усилие Мкст, коэффициент равномерности динамического давления км):
- при Аду=0,0022 м: Wду тах=34,71 м/с2, V, тах=0,28 м/с, <Юуд=302о, Ууд=0,0019 м,
^д=0,43 м/с; ^кст тах=1844,4 Н, ^ст тіп=824,4 Н,
Ру max= 0,99 МПа, Ру min=0,44 МПа, Nk max=5,34 Н,
Nk m,n=2,37 Н, kN=0,85;
- при Аду=0,0038 м: Wду max=59,95 м/с2,
Vw max=0,48 м/с, ю1уд=338°, Ууд=0,0014 м,
Ууд=0,76 м/с, NkCT max=2978,8 Н, NkCT mm=1958,8 Н,
Ру max= 1,60 МПа, Ру min=1,05 МПа, Nk max=8,63 Н, Nk min=5,66 Н, kN=0,91.
Характеристики силового воздействия рабочей среды на обрабатываемые поверхности при обычных условиях виброобработки, эквивалентные этим характеристикам при комбинированной обработке, можно получить, используя соотношения:
Ру экв=Ру=к NРу max, Nh экв=Nk=k NNk max. (10)
Для 1упр=1х=60 мин и Ra исх=0,4 мкм, имеем:
- при Аду=0,0022 м: Ру=0,71 МПа, N„=3,84 Н, 2об=0,35 мм;
- при Аду=0,0038 м: Ру=1,33 МПа, N*=7,16 Н, 2об=0,54 мм.
По этим данным можно получить частные линейные зависимости прогибов образцов от величин Ру и Nk:
2об=0,13+0,307Ру=0Д3+0,057^=0,057(2,28+^). (11)
Численный и графический анализ уравнения
(11) позволяет получить частные линейные зависимости прогибов образцов от других факторов:
- при Аду=0,0038 м и Ra исх=0,4 мкм: 2об=0,003(120+1упр);
- при Аду=0,0038 м и 1упр=60 мин:
Zo6=0,108(5,37-Ra исх).
Используя эти частные линейные зависимости, можно получить обобщенную зависимость Z°б=/(Nk, tynp, Ra исх), определяющую величины прогибов плоских образцов при различных условиях обработки, но при одной частоте колебаний /=20 Гц:
Z°б=63,7x 10-6(2,28+^)(120+1Упр)(5,37-Яа Исх). (12)
Учитывая взаимосвязь времени обработки и частоты колебаний, с которой она осуществляется, а также эффект анодного растворения металла под действием токов низкого напряжения выражение
(12) можно представить в виде, справедливым для
Воронежский государственный технический университет
комбинированной обработки поверхностей с различными частотами колебаний:
Z=3,185x 10-6(2,28+км2Мк тах)(2400+ДПр)х
Х(5,37-Яа исх)Ск ан=15,83х10-6Ск анХ
х (2,28+км2^ тах)(2400+Дупр),
где Ск ан - коэффициент, учитывающий анодное растворения металла.
Используя установленные зависимости, можно проводить расчет и назначать оптимальные режимы комбинированной обработки для достижения заданного высокоресурсного поверхностного слоя лопаточной детали [3].
Комплекс экспериментальных исследований состояния поверхностного слоя (оценка микротвердости, остаточных напряжений, рентгенографирова-ние и др.) после обработки на режимах, рассчитанных по предложенным зависимостям, подтвердил наличие в нем наклепанного слоя. Предел выносливости, достигнутый в результате указанной комбинированной обработки значительно выше, чем при традиционной электрохимической обработке. Он соизмерим, а зачастую и выше предела выносливости, обеспечиваемого механической обработкой с последующим упрочнением.
Это позволяет рекомендовать комбинированную обработку взамен процессов многократной механической обработки, имеющих целью создать благоприятное с точки зрения сопротивления усталостному разрушению напряженно -
деформированное состояние обработанной поверхности.
Литература
1. Сухочев Г. А. Управление качеством изделий, работающих в экстремальных условиях при нестационарных воздействиях [Текст] / Г. А. Сухочев. - М.: Машиностроение, 2004. - 287 с.
2. Сухочев Г. А. Новое оборудование для упрочнения каналов переменного профиля [Текст] / Г. А. Сухочев // Металлообработка. - 2005. - № 2. - С. 40-43.
3. Болдырев А.И. Обеспечение заданного качества поверхностного слоя каналов комбинированной обработкой [Текст] / А.И. Болдырев // Известия ОрелГТУ. - 2009. № 2-3/274(560). - С. 59-63.
RESEARCH OF COMBINED TREATMENT CRITERIA FOR ENGINEERING SUPPORT OF QUALITY MEASURES IN TURBINE SURFACES A.I. Boldyrev, G.A. Suhochev
The work is devoted to increase of quality measures in items of transport systems with the help of combined exposure forming workpiece canals. The authors show possibilities of optimum performance calculation at finishing and strengthening treatment. They present results of theoretical and field research
Key words: canal, simulator, flat pattern, vibration, combined treatment
