Обработка турбинных лопатокторообразными алмазными кругами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.91.02

Обработка турбинных лопаток торообразными алмазными кругами

Н. В. Никитков, Д. Н. Шабалин, Н. Ю. Ковеленов

Предложен метод обработки пера керамической турбинной лопатки, даны описания инструмента, приспособлений для установки заготовок, правки круга. Представлена математическая модель режущей поверхности круга. Разработан технологический процесс обработки, изготовлены опытные образцы изделий.

Ключевые слова: производство турбинных лопаток, керамика, нитрид кремния, технология механической обработки, алмазное шлифование, торообразные шлифовальные круги.

Введение

В газовых турбинах применяются детали различных классов: валы, втулки, подпятники, подшипники, лопатки колеса. Большая их часть составляет тела вращения. Ответственные поверхности деталей представляют собой цилиндры, плоскости, пазы, фасонные поверхности. Наибольшую сложность составляет обработка поверхности пера лопатки. Оно является аэродинамической поверхностью, геометрически описывается кривыми 3-го порядка.

При обработке таких деталей стоят следующие технологические задачи [1-5]:

• точность размеров валов и втулок в местах скольжения и качения — 6-7-й квалитет, профиля лопаток — 8-й квалитет (100-150 мкм), замковая часть лопаток — 6-7-й квалитет (50100 мкм); шероховатость поверхностей контакта и замковой части по параметру Яа — 0,2 мкм, профиля лопатки — 0,08 мкм, остальных поверхностей — 1,6 мкм;

• допуски формы и взаимного расположения лопатки — 100-150 мкм, опорных поверхностей валов и втулок — 10 мкм; дефекты поверхностного слоя на профиле лопатки, поверхностях трения и стыка не должны превышать 1 мкм.

Газовая турбина служит для перекачки природного газа. Турбина имеет частоту вращения 18 000-30 000 об/мин, рабочие температуры 800-1500 °С, перекачивает химически активные газообразные вещества.

Обрабатываемые заготовки

Использование жаропрочных и легированных стальных материалов в горячей зоне турбины (при температурах порядка 1500 °С) позволило добиться максимального времени работы деталей — 400-600 мин. Керамика 81з^ (нитрид кремния) по своим физическим свойствам подходит для работы в таких условиях. Применение керамических материалов позволяет существенно повысить продолжительность работы изделия.

Существуют две кристаллографические модификации 81зЫ4 — а и в (а-фаза кристаллизуется в тригональной сингонии, в-фаза — в гексагональной). Обе решетки построены из тетраэдров, которые различны по методу получения и близки по свойствам. При более длинной последовательности укладки тетраэдров а-фазы имеет более высокую твердостью по сравнению с в-фазой, а-фаза химически не-

устойчива по сравнению с Р-фазой. При высоких температурах а-фаза переходит в Р-фазу. Таким образом, Р-81зЫ4 является основной формой, используемой при изготовлении керамики [1]. Рентгеновская плотность — 3,184 г/см3, твердость по шкале Роквелла — до 94. Температура разложения — 2300-2500 °С, теплота образования — 750 Дж/моль. Коэффициент линейного расширения в интервале 201000 °С — 2,75 .10-6. Нитрид кремния — хороший диэлектрик. Удельное сопротивление при 20 °С — 10-11-1012 Ом. м. Нитрид кремния отличается высокой химической устойчивостью по отношению к кислотам, парам воды, большинству расплавленных металлов (А1, РЬ, Zn, Бп и др.), к окислению в среде кислорода при умеренных температурах. В этом смысле нитрид кремния — уникальный материал, и интерес к нему постоянно растет. Физико-механические характеристики нитрида кремния: пределы прочности на сжатие асж = 1200 МПа, растяжение ар = 300, изгиб аи = 400 МПа, твердость по Вик-керсу — 23 ГПа, модуль Юнга — 300 ГПа [2].

Керамика обладает большим диапазоном твердости и хрупкости, что значительно осложняет ее механическую обработку. Технология обработки керамических материалов отличается от традиционных, разработанных для получения деталей из металлов и неметаллов. Все операции, связанные со сложным формообразова-

нием, осуществляются с сырыми необожженными заготовками. После обжига заготовки эффективно обрабатываются только алмазным инструментом. Имеющиеся в промышленности оборудование, оснастка, инструмент не вполне удовлетворяют специфике производства деталей из керамики из-за недостаточной производительности, точности, поэтому на современном этапе целесообразно использовать керамику в мелкосерийном и единичном производствах с использованием модернизированных металлообрабатывающих станков или разработанных специально для обработки керамики [3].

Обрабатываемые заготовки получались методом горячего прессования.

Оборудование и режущий инструмент

Для экономичной обработки был выбран станок 1716ПФ4 с управляемыми координатами X, С, пригодный с учетом модернизации для изготовления керамических лопаток. У станка с ЧПУ направляющие защищены от абразивного шлама.

Для обработки всего профиля пера лопатки разработан специальный алмазный инструмент (рис. 1) наружным диаметром не более 15 мм; материал абразивных зерен — АС32, зернистость — 250/200, концентрация — 100 %, металличе-

Общие допуски по ГОСТ 30893.1 Рис. 1. Торообразный круг

А — А 5

Б — Б

Рис. 2. Базирование и закрепление лопатки

екая связка — МВ 02. Инструмент предназначен для обработки пера лопатки и плоскости, к которой оно прилегает. Круг, изображенный на рис. 1, изготовлен по специальной технологии. Разработана пресс-форма для спекания алмазного инструмента. Оправка специального алмазного инструмента диаметром 8,2 мм (рис. 1) размещается в отверстии кольца и опирается торцом на выступ фасонной торцовой поверхности втулки, формирующей профиль алмазоносной поверхности круга при спекании смеси алмазного порошка, связки и других компонентов.

Поскольку тангенциальные усилия при шлифовании невелики, сдвига алмазосодержащего кольца вдоль и вокруг оправки не происходит.

скошлифовальном станке. Затем заготовку лопатки закрепляют за замковую часть в специальном приспособлении, показанном на рис. 2, которое установлено в шпинделе станка. Заготовка 2 задвигается в паз приспособления 3 до упора 7 и зажимается винтом 10, который двигает пластину 6. Призмы 4 и 5 жестко зацеплены на корпусе приспособления 3.

Схема зажима заготовки в приспособлении аналогична схеме крепления лопатки в колесе. Таким образом, технологические и конструкторские базы совпадают. Приспособление 3 устанавливается в 3 кулачковый патрон 1 до упора. Затем поворачивается до упора 8 в помеченный кулачок 9.

1

3

Установочные приспособления

Обработка пера замковой части лопатки не представляет трудностей. Она осуществляется фасонными алмазными кругами на пло-

Эрозионная правка алмазного круга

Для осуществления контактно-эрозионной правки (КЭП) на станине 1 станка установлен электрод 2 (рис. 3). Положительный потенциал

б)

в)

3 8

Вид А

1 6

^2< 1 г 1

Г

Рис. 3. Правка абразивного инструмента: а — схема правки; б — траектория движения круга относительно электрода; в — лопатка после чернового шлифования;

1 — станина; 2 — положительный электрод; 3 — круг; 4 — электрошпиндель; 5 — лопатка; 6 — диэлектрик; 7 — отрицательный электрод; 8 — трубка

5

2

4

3

к кругу 3 подается через съемный скользящий электрод 7. Отрицательный потенциал подведен к медному электроду. Для предотвращения случайного искрообразования в направляющих станка между электродом 7 и станиной 1 проложена диэлектрическая прокладка.

Траектория движения круга показана на рис. 3, б. СОЖ подается в зону КЭП по трубке 8, которая закреплена на пневмо- или электрошпинделе 4 хомутом. Точное расположение сопла трубки задается ручной гибкой.

Шлифование пера лопатки

На прецизионном токарном станке 1716ПФ4 (радиальное и осевое биение шпинделя около 1 мкм) выполнена специальная наладка. В револьверной головке установлен электрошпиндель с частотным управлением (0,54 кВт, 40-60 тысяч об/мин). В шпинделе установлены алмазный круг (ось оправки круга параллельна оси Z станка), устройство эрозионной правки круга (рис. 3). Круг заправлен. Заготовка закреплена в приспособлении (см. рис. 2).

Профиль пера лопатки у заготовки в поперечном сечении трапецеидальный, в него вписывается криволинейный профиль пера лопатки (рис. 4). Длина пера лопатки — 20 мм. Настроены место и длина хода алмазного круга по оси Z, равные 30 мм, из которых 20 мм — длина пера лопатки, 10 мм — расстояние от торца круга до торца пера лопатки. Разработана управляющая программа дискретно-

Рис. 4. Поперечный профиль пера лопатки в сечении ХОУ. Ось Z перпендикулярна к плоскости сечения

го поворота шпинделя по оси С и перемещения револьверной головки с электрошпинделем вдоль оси X.

Движение по осям С и X создает поперечный профиль пера лопатки (рис. 4) в любом сечении по длине пера лопатки. Профиль пера лопатки сформирован движением алмазного круга диаметром 15 мм вдоль профиля пера по координате Z. При черновом шлифовании пера лопатки с установленной глубиной шлифования 0,1-0,5 мм заготовка по оси С совершает 120-180 дискретных поворотов соответственно на углы 3-2°. Заготовка совершает полных 30-120 оборотов вокруг оси Z, пока не начнется съем припуска по всей поверхности спинки и корыта лопатки. Затем начинается чистовое шлифование пера лопатки при дискрете поворота лопатки, равной 1-2°, и глубине шлифования 0,05-0,08 мм.

Математическая модель режущей поверхности алмазного круга в статике

Для расчета режимов резания (в частности, продольной подачи) при использовании предложенного метода обработки важно определить интенсивность съема материала. В свою очередь, ее невозможно определить без корректного описания режущей поверхности круга.

Для абразивных инструментов существует несколько моделей рабочей поверхности круга в статике [4]. Но для инструментов сложной (в том числе торообразной) формы универсальная модель еще не разработана.

В качестве исходной была взята модель, рассматривающая алмазоносное пространство круга по рис. 5 [5]. Предложенная модель отличается от исходной тем, что она получена для кругов малого диаметра, работающих в условиях самозатачивания.

В модели поверхность круга (рис. 5, а) представлена в виде совокупности различно ориентированных зерен, выступающих из связки на различную высоту Д1- Д2.

За время обработки зерна затупляются, вырываются из связки. Исследования резания единичным зерном и профилографирование поверхности показали, что круг в установившемся режиме имеет поверхность, представленную на рис. 5, б.

а)

Связка круга

Связка круга

Рис. 5. Поверхности круга: а — заправленного; б — приработанного;

А1 и А2 — минимальная и максимальная высота выступания зерен из связки; I — средняя длина зерен

Рассчитаем угол наклона аппроксимированной плоскости участка круга, находящегося в контакте с заготовкой (рис. 6, а). Здесь -йкр, Лзаг — радиусы алмазного круга и поверхности заготовки лопатки; £ — глубина шлифования, а = у; в — дуга контакта алмазного то-рообразного круга диаметром 2г с поверхностью лопатки. Рассчитаем угол а:

R - АВ - RKp - e; e - OiA =

1A - \/RKp2 - f2;

f - AD - 2ЗД;

g - O1O2 - R3ar + t - RKp,

где — площадь треугольника AOiD;

Sa - ^Р^Р^^кРКР-^ЗаГхр—g);

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(6)

р = 0,5(ЛКр + Лзаг + где р — полупериметр треугольника АО^;

а = у = 0,5 агееов [(г - Е)/г]. (7)

Поверхность алмазного круга является кривой второго порядка. При рассмотрении площади контакта круга и заготовки выяснилось, что зона резания мала по размерам. Рассмотрим возможность аппроксимации площадки контакта участком плоскости.

На рис. 6, б приняты следующие обозначения: Уос — осевая подача круга, мм/мин; Уоб — объем удаляемого материала, мм3/об;

S и m — плоскость симметрии и ширина контакта круга с поверхностью заготовки; t — глубина резания, мм; L0 — подача, мм/об; в и 2f — центральный угол и ширина контакта круга с заготовкой.

Рассчитаем отклонение A длины дуги АСд от длины отрезка АСо (рис. 6):

A - r - r cos (в/2) - r[1 - cos (в/2)], (8)

где

в - arccos [(r + e - R^/r] —

(9)

кр/.

угол площадки контакта.

Для рассматриваемого случая:

в - arccos [(1,6 + 4,93 - 5)/5] - 0,289 рад; (10)

A - 1,6(1 - cos 0,289/2) - 0,00167 мкм. (11)

При анализе размеров площадки контакта становится ясно, что на ней может находиться не более одного зерна. Следовательно, можно рассчитать отклонение формы не на всей площадке, а на каждом абразив-

a)

AC,

O2

AC

O2

а - у с

б)

2f

r<- ->1

.........

Рис. 6. Зона взаимодействия торообразного круга с заготовкой

A

t

ном зерне. Оно будет во столько раз меньше, во сколько средняя ширина зерна Ос меньше отрезка АС.

Средняя ширина зерна

Dc = (V + b')/2.

(12)

Здесь Г = M(l/D^)l — максимальная длина зерна, где M(l/D2) — математическое ожидание отношения длин l зерен в круге к их ширине D2; b' = M(b/D2)D2 — математическое ожидание ширины b' зерен круга к величине D2 зерна.

У круга АС23 315/250 M(l/D2) = 100 [1], D1/D2 = = 315/250, D2 = 250 мкм, АС23 — марка алмазных зерен, Ml — связка, 100 — концентрация алмазов в круге.

Для кругов с зернами АС23 M(l/D2) = 1,54, M(b/D2) = 1,14 [4]

Dc = (1,54 . 0,25 + 1,14 . 0,25)/2 = = 0,335 мм.

Разность длин дуги АСд и отрезка АСо элементов зерен круга

Ad = ADc/(r sin в) = = 0,00167 . 0,335/(1,6 sin 0,289) = 0,00123 мм.

Величина Ad = 0,00123 мм есть кривизна площадки износа вершин алмазных зерен размером Dc из-за затупления в процессе шлифования. По величине Ad судят о степени износа и целесообразности принятия решения править круг. Статистически для разных материалов заготовок устанавливается машинное время работы алмазного круга, пока размер площад-

ки контакта достигнет значения, снижающего режущую способность в 3-4 раза.

Выводы

1. При создании опытного производства или ремонте малогабаритных турбин можно изготавливать партии керамических лопаток на универсальном оборудовании типа точные токарные станки с программируемыми осями X, Z, С.

2. Токарный станок с ЧПУ, например 1716ПФ4, не теряет универсальности и работоспособности после снятия оснастки, необходимой для изготовления лопаток.

3. При расчете режимов резания можно использовать упрощенную модель режущей поверхности круга.

Литература

1. Выбор рациональных параметров процесса алмазного шлифования керамики из нитрида кремния / В. В. Бурмистров, В. В. Гусев, В. А. Каплун, В. В. Наза-ренко// Сверхтвердые материалы. 1990. № 4. С. 68-70.

2. Кузин В. В. Технологические особенности алмазного шлифования деталей из нитридной керамики // Вестн. машиностроения. 2004. № 1. С. 37-41.

3. Никитков Н. В. Математическая модель режущей способности алмазных кругов при шлифовании заготовок из твердых хрупких материалов // Науч.-техн. ведомости СПбГПУ. 2012. № 147. С. 116-121.

4. Никитков Н. В., Ковеленов Н. Ю., Шабалин Д. Н. Расчет режимов резания при алмазном шлифовании заготовок из твердых хрупких материалов // Науч.-техн. ведомости СПбГПУ. 2012. № 154. С. 155-159.

5. High speed cutting of Inconel 718 coated carbide and ceramic inserts / L. Li, N. He, M. Wang, Z. G. Wang // Journ. of Materials Processing Technology. 2002. N 129. Р. 127-130.