CC BY
133
УДК 621.452.3
А. Я. Качан, В. А. Панасенко, С. В. Мозговой, Г. В. Карась
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ ДИСКОВ АВИАЦИОННЫХ ГТД НА СТАНКАХ С ЧПУ
Аннотация: Рассмотрен\ обрабатываемость и прогрессивные способы точения дисков ГТД из жаропрочных и титановых сплавов на станках с ЧПУ токарной группы с использованием современного твердосплавного инструмента.
Постановка проблемы и её связь с практическими задачами
Диски компрессоров и турбин в большинстве случаев обрабатывают на токарных станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Диски ГТД изготавливают из жаропрочных и титановых сплавов, проблема обрабатываемости которых в настоящее время является актуальной. Они характеризуются высокими физико-механическими свойствами материалов, сложностью формы с одновременно высокими требованиями к точности и шероховатости образуемых поверхностей.
Дальнейшее повышение удельных характеристик двигателей невозможно без применения новых жаропрочных материалов с особыми физико-механическими свойствами. Обработка резанием труднообрабатываемых материалов чрезвычайно затруднена, что обусловлено их свойствами, которые по степени воздействия на процесс резания классифицируют:
1) высокие твёрдость и прочность материалов;
2) низкая теплопроводность в сочетании с высокой прочностью;
3) высокая химическая активность материала.
Появление новых материалов для высоконаг-
руженных деталей ГТД требует новых подходов в решении технологических задач. На ОАО "Мотор Сич" этой проблеме уделяют большое внимание. Целенаправленный подбор режущего инструмента и режимов резания производится с учётом критерия производительность-цена-качество. В результате чего обеспечивается устойчивый процесс резания, а также требуемые шероховатость и параметры качества поверхностного слоя.
Цель работы
На основе критерия производительность-цена -качество показать влияние оптимального подбора режущего инструмента и режимов обработки на стабильность процесса резания и показатели качества обработанных поверхностей на примере дисков КВД.
Содержание и результаты исследования
В ОАО "Мотор Сич" черновые и чистовые операции точения дисков выполняют на токарных станках с ЧПУ. Одним из перспективных направлений повышения стабильности качества изготавливаемых деталей является применение современных твердых сплавов с двух и трёхслойным покрытием при обработке деталей из таких сплавов как ЭК-79У - ИД, ЭК-151, ЭП-742-ИД (ХН62БМКТЮ-ИД), ЭП-741-НП, ЭП-648 (ХН50ВМТЮБ).
Эти материалы относятся к группе деформируемых жаропрочных сплавов на никелевой основе и по сравнению с таким известным сплавом как ЭИ-437Б (ХН77ТЮР-ВД) являются более прочными, а коэффициент обрабатываемости их ниже аналогового сплава. Так, если при точении сплава ЭИ-437Б пластинкой ВК10ХОМ коэффициент обрабатываемости по данным НИАТа составляет Кч=0,32, то для сплавов ЭК-79 - Кч = 0,256, ЭК-151 - Кч = 0,245, ЭП-741-НП - Кч = 0,259, ЭП-
742ИД - Кч = 0,268 соответственно. Следовательно, при назначении режимов резания можно бы руководствоваться известными нормативами, снижая скорость резания на 20-25 %. Однако практика применения указанных нормативов не всегда отвечает технологическим требованиям. Решающее значение имеют многие факторы, каждый из которых может существенно влиять на процесс обработки. Основными из них являются жёсткость и способ установки детали в приспособлении, наличие предварительной обработки, исходное состояние поверхностного слоя и др.
При обработке дисков КВД проводились эксперименты с целью оптимального выбора материала твердосплавных пластин и режимов резания.
Особенностью конструкции диска КВД (рис.1) является его тонкостенность и нежёсткость, а также наличие труднодоступных зон. По серийной технологии точение данного диска, выполненного из жаропрочного сплава ЭП-742-ИД НВ = 285-302МПа, ст в = 1200 МПа, осуществляли проходными, расточными и канавочными напайными резцами. Режущая часть резцов изготавливалась из сплава ВК10ХОМ. Режимы резания: Урез=16м/мин,
© А. Я. Качан, В. А. Панасенко, С. В. Мозговой, Г. В. Карась 2006 г.
- 130 -
50 = 0,1 мм/об, t = 1,2мм для проходных резцов и Урез = 15м/мин, Бо = 0,04 мм/об для канавочных резцов. Геометрия резцов представлена параметрами: у = 5-10°, а = 10-15°, 1 = 0,20,4мм. Стойкость резцов при расчёте УП была принята не более 20 мин. Обработка производилась с применением СОЖ. Однако, нестабильность процесса резания, наличие множественных случайных факторов и режущие свойства пластин сократили расчётный период стойкости инструмента до 5-7мин.
г
I
Рис. 1. Диск КВД авиационного двигателя
Точение жаропрочных сплавов сопровождается упрочнением (наклёпом) обрабатываемой поверхности, что приводит к увеличению сил резания и снижению стойкости инструмента. Характерными признаками износа твердосплавных пластин после обработки жаропрочных сплавов является износ по задней поверхности, лункообразование, выкрашивание, образование температурных микротрещин.
Выкрашивание режущей кромки, вызванное диффузионным износом, происходит при высокой температуре в результате взаимодействия однородных элементов обрабатываемой заготовки и инструмента. Износ по задней поверхности и образование проточин вызвал резкое ухудшение качества обрабатываемой поверхности. После точения твердым сплавом ВК10ХОМ по серийной технологии была получена шероховатость поверхности ННа =
12мкм, вместо необходимой Иа = 3,2мкм. Небольшие выкрашивания режущей кромки пластины привели к увеличению износа по задней поверхности и повысили шероховатость обработанной поверхности диска.
Снижение режущих свойств пластин, соответственно, вызывает увеличение сил резания, что приводит к возникновению растягивающих остаточных напряжений в поверхностном слое детали. Происходит деформация и коробление тонкостенной детали. Снижение или нейтрализация растягивающих остаточных напряжений после такой обработки является трудной задачей.
При анализе процесса принимался тезис о том, что пластины работали в условиях всестороннего сжатия и имели равнопрочную конструкцию. Коэффициент запаса прочности различных пластин принимался условно равным.
Проведенные исследования подтвердили, что высокие физико-механические свойства жаропрочного сплава ЭП-742ИД не позволяют в полной мере использовать для обработки однокарбидные твердые сплавы ВК10, ВК10ХОМ в виду их низких режущих свойств для этого материала.
При точении жаропрочного сплава на режущей кромке инструмента 1 (клине резания) (рис. 2) при обработке детали 2 происходит постоянное образование стружки 3, при котором одновременно осуществляются три процесса:
- пластическая деформация, за которой следует резание материала в плоскости точения;
- трение, производимое движением текущей стружки 3 и передней поверхностью режущей кромки инструмента 1, образующие касательные напряжения по передней поверхности.
За 3 1
Рис. 2. Схема образования и удаления стружки при точении жаропрочного материала: 1 - инструмент; 2 - деталь; 3 - стружка; 3а -положение стружки при точении; 4 - плоскость резания; р - угол скалывания; Ар -- увеличение угла скалывания
Совершенно очевидно, что уменьшение сил трения по передней поверхности режущей пластины важно при низкоскоростной обработке как в исследуемом варианте и связано с образованием нароста в зоне режущей кромки.
- трение между обработанной поверхностью 2 и задней поверхностью режущей кромки инструмента 1 с заданным коэффициентом трения. Это вызывает возникновение нормальных и касательных напряжений, по величине зависящих от ств материала. Интенсивность нормальных и касательных напряжений определяется как: = ств ,9т = 0,6 ств, где и 9т - интенсивность нормальной и касательной распределённой нагрузки по задней поверхности пластины.
Свойства обрабатываемого материала оказывают прямое воздействие на повышение напряжений в плоскости сдвига и на усилия резания. Обрабатываемый материал оказывает сопротивление пластической деформации, которое зависит от свойств сплава, температуры и скорости изменения формы. Скорость изменения формы зависит от скорости резания и в целом, сопротивление изменения формы возрастает пропорционально скорости ее изменения.
Силы, приложенные на лезвие со стороны задней поверхности пластины (рис. 3), на первоначальном этапе процесса резания несущественны по сравнению с силами, приложенными к передней поверхности Ып и Р, и не оказывают заметного влияния на характер процесса резания. Однако, резание острозаточенной пластиной осуществляется лишь в течение короткого времени.
Вследствие изнашивания резца длина контакта его задней поверхности с поверхностью резания fзк возрастает, в результате чего увеличиваются силы, действующие на заднюю поверхность. Возникновение нормальной силы Ыз к задней поверхности лезвия обусловлено двумя причинами:
1) главная режущая кромка в реальных условиях не может быть абсолютно острой и всегда имеет некоторый радиус скругления г. По этой причине некоторый слой металла А подминается под режущую кромку, вследствие чего возникает нормальная сила Ыз, действующая на заднюю поверхность лезвия;
2) под действием силы стружкообразования перед пластиной образуется поле сжимающих напряжений в направлении, совпадающем с силой Ып.
Поверхностный слой детали в процессе резания претерпевает неоднократное пластическое деформирование. Это приводит, в свою очередь, к изменению физико-механических свойств и структуры металла. Наиболее выраженным проявлением изменения свойств металла является наклёп.
Согласно дислокационной теории, упрочнение металла при наклёпе заключается в концентрации
-Р з.к
Рис. 3. Схема контактирования обрабатываемого материала с резцом и система действующих на него сил: Ы, Р - нормальная и касательная силы; г - радиус скругления главной режущей кромки; fзк -длина контакта
по задней поверхности (фаска износа); йБ - плоскость сдвига; й - точка разделения металла на уходящий в стружку и подминаемый под заднюю поверхность; f - эффективная длина контакта;
Д - толщина подминаемого слоя металла
дислокаций около линий сдвигов. В результате увеличения плотности дислокаций и взаимодействия их силовых полей при пластическом деформировании происходит упрочнение металла. Склонность к механическому упрочнению материала в процессе обработки резанием является причиной повышенного абразивного износа задней поверхности инструмента. При резании возникает также адгезионное взаимодействие режущего материала с деталью. При скольжении одной поверхности по другой в процессе резания происходит непрерывный процесс возникновения и срезания адгезионных связей.
Поверхность инструмента по отдельным точкам истинного контакта находится под действием касательных напряжений, в результате чего частицы материала местами отрываются от поверхности. Геометрические размеры этих частиц зависят не только от уровня рассматриваемых скоростей резания, но также от физико-механических показателей обрабатываемого и инструментального материалов, структурных превращений в контактных поверхностях.
Полученные результаты исследования при обработке жаропрочных сплавов подтверждают активное проявление адгезионных процессов по задней и передней поверхности пластины. Эти процессы оказывают наибольшее влияние на фактическую стойкость режущего инструмента.
Как и все производители, на ОАО "Мотор Сич" постоянно ищут пути снижения производственных затрат. Достижение этих целей связано с внедрением новых технологий. Одним из примеров такой деятельности явилось проведение конкурсного тестирования режущих пластин инструментальных фирм
России, Швеции, Японии и Южной Кореи с целью выявления лучших в реальных условиях производства. Несмотря на то, что производители инструмента дают обстоятельные рекомендации по выбору марок сплавов в зависимости от обрабатываемого материала и режимов обработки, найти правильное решение потребителю достаточно сложно.
Главным критерием оценки явилась износостойкость инструмента с максимально достижимыми режущими свойствами при высоких долговременных показателях качества инструмента. При этом доминирующим критерием является гарантированная устойчивость процесса резания и высокое качество получаемых деталей. Жёсткие условия выдвигают ряд требований к твердосплавным пластинам, а именно: прочность при высоких температурах, высокая ударная вязкость, низкая теплопроводность, высокая твёрдость.
Для сравнительных испытаний был обработан диск КНД на токарном станке с ЧПУ MDW-20S из сплава ЭП-742ИД резцами с механическим креплением пластин фирм SANDVIK-COROMANT, MITSUBISHI, KORLOY. При выборе пластин учитывался ранее накопленный опыт точения жаропрочных сплавов. Были использованы пластины с PVD (Phisical Vapor Deposition) покрытием (рис. 4), обеспечивающие наиболее устойчивые условия резания.
Покрытие PVD позволяет снизить склонность инструментального материала к схватыванию с обрабатываемым и имеет повышенную адгезию с инструментальной матрицей.
Для обеспечения одинаковых условий испыта-
Рис. 4. Структура твёрдого сплава с PVD покрытием
ний были приняты режимы резания по заводской серийной технологии: Урез = 15 м/мин, So = 0,2мм/ об, t = 0,8мм. Обработка осуществлялась с применением СОЖ. Выполнялось черновое и чистовое точение (табл. 1).
Испытания показали, что твёрдый сплав фирмы SANDVIK-COROMANT GC1005, имеющий трёхслойное PVD покрытие из титано-алюминиевого нитрида с нитридом титана (TiAlN-TiN) толщиной 4 мкм, обладает высокой износостойкостью и прочностью. В комбинации с мелкозернистой основой сплав обеспечивает высокую остроту режущих кромок. Это позволило эффективно использовать его при обработке жаропрочного сплава.
Сплав фирмы KORLOY РС8010, имеющий трёхслойное покрытие из алюмонитрида титана (TiAIN), повышающее срок службы твердого сплава в 2-3 раза, уменьшает процесс наростообразования. Покрытие устойчиво к диффузионному износу и имеет повышенную устойчивость к выкрашиванию инструмента.
Сплав фирмы MITSUBISHI VP10RT имеет многослойное покрытие из алюмонитрида титана ((AI,Ti)N), позволяющее в высокотемпературной зоне резания (800-1000°С) обеспечить высокую стойкость и прочность режущей кромки.
Проведенные сравнительные испытания подтвердили, что при обработке сплава ЭП-742ИД пластина ВК10ХОМ, вследствие значительного износа по задней поверхности, имеет низкую стойкость и режущие свойства. Это не позволяет выполнить требования чертежа по шероховатости и геометрической точности поверхностей (см. табл. 1).
В то же время, поверхности, обработанные твердосплавными пластинами фирмы SANDVIK-COROMANT, полностью удовлетворяют требованиям чертежа. Твердосплавные пластины фирмы MITSUBISHI, как показали исследования, имеют более высокую стойкость при черновом и чистовом точении. Твердосплавные пластины фирмы KORLOY полностью удовлетворяют требованиям по обработке сплава ЭП-742ИД как на черновом, так и на чистовом точении и ни по каким-либо параметрам не уступают тестируемым пластинам, а при чистовом точении имеют стойкость на 10-15 %
Таблица 1 - Результаты испытания пластин инструментальных фирм
№ п/п Характеристика ВК10ХОМ SANDVIK MITSUBISHI KORLOY
1. Тип пластины квадрат SNMG120408-23 CNGG120408-MJ SNMG120412-HS
2. Материал пластины ВК10ХОМ GC1005 VP10RT PC8010
3. Качество обработанной
поверхности, Ка, мкм 12 1,6 1,25 1,6
4. Износ режущ. кромки, мм 0,2 0,15 0,01 0,01
5. Конусность обработанной
поверхности на Ь = 150, мм 0,21 0,012 0,005 0,01
6. Эллипсность обработанной
поверхности на Ь = 160, мм до 0,05 0,05 до 0,01 до 0,01
7. Стойкость, Т, мин 7 80 90 90
выше пластин SANDVIK-COROMANT, что сопоставимо по стойкости с пластинами фирмы MITSUBISHI.
Проведенные испытания показали, что все тестируемые пластины инструментальных фирм имеют значительно большую стойкость по сравнению со стойкостью твёрдого сплава ВК10ХОМ.
Конструкция диска выявила необходимость применения специальной инструментальной оснастки взамен специальных резцов с напайными пластинами. Для этого была использована модульная инструментальная оснастка фирмы SANDVIK-COROMANT CoroCut SL с резцовыми адапторами CoroTurn SL. Это дало возможность применения широкого ассортимента режущих головок для обработки внутренних профильных поверхностей. Соединение по рифлёному торцу такой оснастки позволило создать большое число комбинаций хвостовиков и режущих головок, с различным конструкторским исполнением. Этот тип соединения обеспечил более высокую жёсткость конструкции по сравнению с цельным инструментом, применяемым ранее.
Режущие головки с адаптерами (рис. 5), обладая универсальностью, могут быть использованы при обработке других деталей, имеющих аналогичную конструкцию. По мере износа режущая пластина державки подлежит замене.
Важным звеном в обработке диска является формообразование полотна. Тонкостенное полотно наиболее подвержено деформациям после механической обработки. Вопрос стойкостных и режущих свойств твердосплавных пластин здесь является очень актуальным.
Для обработки полотна диска были применены державки фирмы KORLOY с ромбическими пластинами DNMG и углом при вершине 55 ° со струж-коломами серии HS и HA, обеспечивающими большой позитивный передний угол пластины и устойчивый стружкоотвод по передней поверхности пластины. Форма передней поверхности пластин позволяет осуществлять устойчивое завивание стружки (рис. 6, 7).
Рис. 6. Форма стружколома НА для точения жаропрочных сталей
Рис. 7. Форма стружколома НЭ для точения жаропрочных сталей
Была пересмотрена технология обработки диска, а именно, изменено направление резания полотна, что дало возможность обеспечить максимальную жёсткость детали при обработке и применить пластины с задним углом 0° (пластины с Ы-углом) (см. рис. 8), усовершенствована траектория движения инструмента на других участках с учётом рекомендаций инструментальных фирм при резании жаропрочных сплавов.
При выборе режимов резания и материала режущей пластины, необходимо решать и технико-экономическую задачу. Соотношение между вложенными средствами и полученным результатом для потребителя имеет не последнее значение.
Так, предложенная фирмой БАЫОУЖ-СОКОМАМТ
Рис. 5. Точение внутренней профильной части диска с помощью модульной инструментальной системы
Рис. 8. Точение полотна диска резцом с ромбической пластиной
методика оценки себестоимости изготовления одной детали показывает, что при уменьшении инструментальных затрат на 30 % снижение себестоимости обработки составляет всего 1%, а при повышении скорости резания твердосплавными пластинами на 20 %, себестоимость обработки одной детали уменьшается на 15 %.
Методика расчёта учитывает многие составляющие, а именно: затраты на приобретение инструмента, затраты на переточку, стоимость машинного времени и эксплуатации основного оборудования, стоимость инструмента и др.
Принимая во внимание различные составляющие себестоимости можно спрогнозировать дальнейшие шаги по оптимизации всего процесса механической обработки деталей и рассчитать себестоимость изготовления партии деталей. Одним из существенных критериев снижения затрат, как показывает методика, является повышение скорости резания. Рекомендуемые режимы обработки для жаропрочных материалов при применении твердосплавных пластин инструментальных фирм позволяют выбрать наиболее оптимальные для достижения максимальной производительности с минимальными затратами.
При точении наружных поверхностей деталей из жаропрочных сплавов (НВ250-300МПа) пластинами GC1005 компании SAN DVIK-COROMANT рекомендуемая скорость резания составляет Vрез = 90-175 м/мин при подаче S0 = 0,1-0,5 мм/об. При точении канавок скорость резания Vрез = 55-90м/мин при подаче S0= 0,05-0,3 мм/об.
Компания KORLOY при получистовом точении деталей из жаропрочных сплавов материалом РС8010 рекомендует Vрез = 130-160 м/мин при S0 = 0,1-0,4 мм/об.
При обработке твёрдым сплавом компании SANDVIK-COROMANT Н13Ажаропрочных сплавов на основе никеля с НВ350МПа и подачей S0 = 0,1-0,3 мм/об скорость резания рекомендуется Vрез = 60-90 м/мин. Для сплавов на основе кобальта с НВ300МПа и S0=0,1-0,3 мм/об скорость резания рекомендуется V = 55-80 м/мин. Все рекомендации даны при условии применения СОЖ.
Однако, рекомендуемые режимы не могут учесть всех технологических особенностей, влияющих на процесс резания, а именно жёсткость детали и системы СПИД, конструкцию приспособления, применяемое оборудование и др. Необходимость дифференцированного подхода по выбору режимов резания является актуальной задачей для технологов, занятых обработкой деталей из труднообрабатываемых сталей и сплавов. Важным
моментом является высокая стоимость и единичность обрабатываемых деталей. Эти обстоятельства требуют от технологов производить выбор инструментов и режимов резания особенно ответственно и целенаправленно.
Выводы
Тестируемые пластины инструментальных фирм показали высокие эксплуатационные характеристики и могут быть успешно использованы на разных стадиях производственного цикла при обработке деталей из жаропрочных сплавов с технически обоснованными режимами резания. Положительные результаты использования твердосплавных пластин дают основание для проведения расширенных испытаний с установлением оптимальных режимов резания и расчётом экономической эффективности их применения.
Список литературы
1. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М., Жеманюк П.Д. и др. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора, часть 1. Монография, г. Запорожье, изд. ОАО "Мотор Сич", 2003 г. - 396 с.
2. Макаров А.Д, Мухин В.С., Шустер Л .Ш.. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов. Уфа. - Учебное пособие, 1994г. - 368 с.
3. Левин М.Ю., Лобанов В.М., Гринберг П.Б. Прочность твердосплавных пластин для черновой обработки жаропрочных сплавов // Станки и инструмент, 1990 г. - №12 - С. 30-31.
4. Шатерин М.А., Ермолаев М.А., Самойленко В.Д. Силы и контактные нагрузки, действующие на заднюю поверхность режущего инструмента // Станки и инструмент, 1988 г. - №3. - С. 28-30.
5. Мурашкин Л.С., Мурашкин С.Л. Прикладная нелинейная механика станков. - Л.: Машиностроение, 1977. - 192 с.
6. Кушнер В.С., Левин М.Ю., Гринберг П.Б., Лобанов В.М. Оптимизация по критерию прочности формы режущих пластин для чернового точения труднообрабатываемых материалов // Авиационная промышленность, 1991 г. - №6. - С. 28-30.
Поступила в редакцию 23.02.2006 г.
AHoma^a: Po3annHymo o6po6nzeMicmb ma npoapecuBHi 3aco6u mmiHHH öuckIb n~ß i3 wapo-Miu,Hux ma mumaH0Bux cnnaBiB Ha Bepcmamax 3 4nK moKapHoi apynu i3 3acmocyBaHHHM cy-^acHoao mBepöocnnaBHoao iHcmpyMeHmy.
Abstract: Considered are the process end progressive methods for processing disks of aeroengines by of CNC-machines turning group with the use of modern carbide tools.
