CC BY
41
УДК 621.452.3
А.Я КАЧАН1, В.А. ТИТОВ2, В.Ф. МОЗГОВОЙ3, С.А. УЛАНОВ1
1 Запорожский национальный технический университет, Запорожье,
2 Национальный технический университет Украины «КЛИ», г. Киев,
3 АО «МОТОР СИЧ», Запорожье
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА НЕСУЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВАЛОВ КОМПРЕССОРОВ ГТД
Представлены результаты экспериментальных исследований отделочно-упрочняющей обработки валов компрессоров ГТД алмазным выглаживанием и в псевдоожиженном абразиве с применением воздушных струй.
Ключевые слова: валы компрессора, алмазное выглаживание, обработка в псевдоожиженном абразиве, воздушные струи, предел выносливости, длительная прочность, шероховатость, микротвердость, микроструктура, остаточные напряжения.
Введение
Повышение надежности и ресурса наиболее ответственных деталей ГТД является важнейшей задачей современного авиадвига-телестроения, так как от их эксплуатационных характеристик зависит эффективность авиационных силовых установок, и в целом, летательных аппаратов.
Формирование высоких эксплуатационных характеристик ответственных деталей ГТД на стадии их производства обеспечивается применением прогрессивных технологий формообразования несущих поверхностей. К параметрам качества несущих поверхностей деталей ГТД относят: шероховатость, волнистость, физико-механические свойства поверхностного слоя, остаточные напряжения, степень упрочнения, микроструктуру поверхностного слоя и др. [1, 2].
В процессе эксплуатации наиболее ответственные детали ГТД подвергаются циклическим нагрузкам, что приводит к их разрушению из-за усталости материала. Поэтому интегральной характеристикой качества этих деталей является предел выносливости, который является основной характеристикой усталости материала и зависит от применяемой технологии и технологической наследственности операций их изготовления [3].
Наиболее эффективными технологическими методами, обеспечивающими повышение сопротивления усталости материала деталей, являются финишные операции, которые формируют в поверхностном слое несущей поверхности оптимальное сочетание параметров качества.
При этом, в зависимости от конструкции деталей, их конструктивных параметров, применяемых материалов, эксплуатационных
© А.Я Качан, В.А. Титов, В.Ф. Мозговой, С.А. Уланов, 2014
факторов, воздействующих в процессе эксплуатации, и технологии их изготовления процессы формирования параметров качества их несущих поверхностей имеют свои технологические особенности.
Цель работы
Установить основные технологические особенности формирования параметров качества несущих поверхностей валов компрессоров ГТД алмазным выглаживанием и обработкой в псевдоожиженном абразиве, обеспечивающими повышение их выносливости.
Содержание и результаты исследований Алмазное выглаживание валов компрессоров ГТД
Валы ГТД работают в условиях высоких частот вращения (15000...45000 об/мин), циклических нагрузок и повышенных температур.
К валам ротора компрессора относят: валы вентилятора, КНД, КСД, КВД, геометрические размеры которых соответственно: длина 2050.2840 мм, диаметр 240.300 мм; длина 240 .1215 мм, диаметр 430 .285 мм; длина 620 .1650 мм; диаметр до » 480 мм; длина 195.500 мм; диаметр 280.595 мм.
Валы вентилятора, КНД, КСД изготавливают из сплава Х12НМБФ-Ш (ЭП609-Ш), а валы КВД из сплавов Х77ТЮР-ВД (ЭИ437БУ-ВД), ХН73МБТЮ-ВД (ЭП698-ВД).
Конструктивными особенностями валов является то, что они являются полыми и тонкостенными. Минимальная толщина стенок 5ст= 1,64,0 мм. Разностенность не более 0,1. 0,2 мм. Шероховатость рабочих поверхностей валов Яа = 0,8 мкм, а посадочных мест подшипников — Яа = 0,8.0,4 мкм.
а
Заготовками валов являются полые штамповки, которые получают на КГШП и ротационной вытяжкой на горизонтально-раскатном стане.
Проявление технологической наследственности после механической обработки тонкостенных валов из сплава ЭИ437БУ-ВД характеризуется недостаточными уровнями пределов выносливости, а также их значительной нестабильностью как после каждой из этих операций, так и после проведения всего технологического цикла.
Низкий уровень эксплуатационных свойств валов и разброс их значений после выполнения основных технологических операций (точения, шлифования, ручного полирования) обусловлены наличием и нестабильностью значений в поверхностном слое растягивающих напряжений, наклепа и микронеровностей поверхности [4].
Наибольший вклад в повышение выносливости валов обеспечивается на финишных технологических операциях за счет формирования рационального сочетания параметров качества поверхностного слоя наружных и внутренних поверхностей их стенок. Наибольшее распространение получили методы финишной обработки валов алмазным выглаживанием и обработка свободным абразивом, находящимся в псевдоожиженном состоянии, с применением воздушных струй.
Структура типовых технологических процессов и трудоемкости изготовления серийных валов роторов компрессора ГТД показана на рис. 1 [4].
1 — Токарные — 45,9% 1 — Токарные — 60,4%
2 — Фрезерная — 3,5% 2 — Шлифовальные — 4,1%
3 — Сверлильные — 23,6% 3 — Притирочные — 3,3%
4 — Шлифовальные — 14,4% 4 — Сверлильные — 20,7%
5 — Зубофрезерная — 2,8% 5 — Фрезерные — 1,2%
6 — Слесарные — 2,1% 6 — Полировальные — 4,7%
7 — Полировальная — 1,4% 7 — Слесарные — 3,0%
8 — Упрочняющая — 5,5% 8 — Прочие — 2,6%
9 - Прочие - 0,8%
Рис. 1. Структура типовых технологических процессов и трудоемкости изготовления валов компрессора ГТД:
а — вал ротора вентилятора; б — вал ротора КВД
В процессе выглаживания образцов из стали Х12НМБФ-Ш алмазным наконечником с Яф = 2,5мм шероховатость уменьшается от Иа = 3,21,6 мкм до 0,8 > Яа > 0,4 мкм в диа-
пазоне подач 8 = 0,080,15 мм/об и усилии выглаживания Р = 100 Н.
Поверхность фрагмента детали после алмазного выглаживания показана на рис . 2 [5].
Распределение микротвердости на образцах сплава Х12НМБФ-Ш после алмазного выглаживания инструментом с Яф = 2,5 мм с усилием 150 Н и подачей 8 = 0,15 мм/об показано на рис. 3.
В процессе алмазного выглаживания, вследствие пластического деформирования, происходит дробление исходного зерна материала. Величина этой зоны достигает 40.60 мкм (рис. 4).
Рис. 3. Распределение микротвердости в поверхностном слое после алмазного выглаживания
Рис. 4. Микроструктура поверхностного слоя после алмазного выглаживания: а — внутреннее сечение; б — область поверхностного слоя; I — зона исходной структуры; II — зона дробления исходного зерна при пластической деформации;
III — переходная зона деформаций. Режимы обработки Р = 100 Н; S = 0,08 мм/об; V = 63 м/мин; Иф = 2,5 мм
После алмазного выглаживания формируют- Наибольший эффект упрочнения достигается остаточные напряжения сжатия с глубиной ся на режимах, для которых предел выносли-распространения до 400.450 мкм (рис. 5). вости составляет 470 МПа, что соответствует
коэффициенту упрочнения у = 1,57 (табл. 1)
Рис. 5. Распределение остаточных напряжений по толщине стенки фрагмента детали (5 = 2 мм): 1 — для шлифованных наружной и внутренней поверхностей; 2,3 — границы изменения остаточных напряжений на наружной стороне; 4,5 - границы изменения остаточных напряжений на внутренней стороне
ненного и исходного материала деталей соот-_ —чупр^, ветственно .
Зависимость коэффициента упрочнения от усилия алмазного выглаживания на базе где с-!упр и о-! - пределы выносливости упроч- Кр = 107 циклов представлена на рис. 6.
Таблица 1
Зависимость предела выносливости от режимов алмазного выглаживания образцов из стали
Х12НМБФ-Ш
Вид обработки Режимы обработки о-1, МПа Коэффициент упрочнения, У
в, мм/об Р, Н V, м/мин Количество проходов, К
Шлифование — — — — 300 1,0
Алмазное выглаживание 0,15 100 150,8 2 430 1,43
0,15 150 150,8 1 470 1,57
0,08 100 226,1 2 470 1,57
Ас.! 0,8
6 8 101
4 6 8 102 2 Р,Н
Рис . 6. Зависимость повышения предела выносливости от усилия алмазного выглаживания
Полировально-упрочняющая обработка пустотелых валов КВД ГТД свободным абразивом
Процесс одновременной двухсторонней обработки наружных и внутренних поверхностей стенок пустотелых валов стандартным свободным абразивным зерном можно представить в виде модели, согласно которой наружные поверхности стенки вращающегося пустотелого вала 2 обрабатываются в псевдоожиженном («кипящем») слое абразива 1, а внутренние — той же абразивной средой 3, поступающей в полость вала из «кипящего» слоя и вращающейся вместе с валом, при воздействии на нее воздушными струями из сопел 4 (рис. 7).
Результаты экспериментальных исследований отделочно-упрочняющей обработки пустотелых валов КВД ГТД в псевдоожиженном слое абразива представлены в табл. 2.
Рис. 7. Модель процесса одновременной двухсторонней обработки поверхностей стенок пустотелых валов 1 — «кипящий» слой абразива; 2 — обрабатываемый вал; 3 — абразивная среда в полости вращающегося вала; 4 — воздушное сопло; С — эффективная ширина струи, истекающей в неограниченное пространство, при давлении перед соплом; Б — эффективная ширина струи, истекающей в неограниченное пространство, при давлении Рос р перед соплом; Е — эффективная ширина деформированной струи, натекающей на обрабатываемую поверхность, при давлении Рос р перед соплом; Б — внешняя граница деформированной струи, натекающей на обрабатываемую поверхность, при давлении Рос р перед соплом
Таблица 2
Результаты экспериментальных исследований шероховатости поверхности образцов из валов КВД (материал валов — сплав ЭИ 437БУ-ВД), остаточных напряжений и испытаний на
усталость
Вариант обработки Удаленный припуск, Д5, мкм Шероховатость, Яа, мкм Остаточные напряжения, МПа Предел выносливости, ст_р МПа
1. Т -— 2,0/2,0 +250,0/+250,0 260,0
2 . Одновременная двухсторонняя обработка наружных и внутренних поверхностей Т+ПСА 18,0/17,0 0,5/0,550,60 -390,0/-410,0 320,0
3 . Т+Ш 0,5/0,5 -190,5/-150,0 280,0
4 . Одновременная двухсторонняя обработка наружных и внутренних поверхностей Т+Ш+ПСА 7,0/6,0 0,3/0,550,4 -370,5/-390,0 360,0
Примечания: 1 . Т — токарная обработка; Ш — шлифование; ПСА — обработка в псевдоожи-женном абразиве;
2 . Данные в числителе — для наружной поверхности стенки вала, в знаменателе — для внутренней поверхности .
Распределение осевых остаточ- (Ьст. = 1,8 мм) вала из сплава ХН77ТЮР-ВД ных напряжений по толщине стенки п°казан° на рис- 8.
а б
Рис. 8. Распределение осевых остаточных напряжений по толщине стенки (Ьст = 1,8мм) вала из сплава ХН77ТЮР-ВД: а — после операций точения + шлифования (Т+Ш): Я™х= 0,5...0,6 мкм; б — после одновременного двухстороннего полирования наружной и внутренней шлифованных поверхностей (ЯаСХ = 0,5.0,6 мкм): Яа = 0,300,4 мкм; а^ = 360,0 МПа. Условия обработки: время обработки — 1 = 15,0 мин, Уд = 23,0 м/с; абразивное зерно 14А40; Ьа = 15,0 мм; Цх. = 60,0 мм; Ьс = 1,0 мм; а = 25°; Р™® = 0,17 МПа
Остаточные напряжения сжатия распространяются на глубину 160.200 мкм.
Предел выносливости материала валов после Т+ПСА составляет а_1 = 320 МПа, а после (Т+Ш +ПСА) — а-1 = 360 МПа. При этом, повышение предела выносливости после Т составляет » 23%, а после (Т+Ш) — » 28% в сравнении с их исходными значениями соответственно 260 МПа и 280 МПа.
Результаты исследований влияния различных вариантов обработки валов КВД из сплава ЭИ437БУ-ВД на уровень механических свойств (ав, а8 , 5) и длительную прочность образцов из валов показывают, что после операций Т+ПСА и Т+Ш+ПСА уровень их выше, чем образцов из валов, обработанных по серийной технологии
(Т, Т+Ш) (табл. 3).
Таблица 3
Механические свойства и длительная прочность в зависимости от вида обработки
Bno; обработки Mеханические свойства при Т = 25 °С Длительная прочность, t
CTb, Mn cts, Mn 8, % s, Mn Т, °С t, час
Т 1052,0 677,0 24,0 750 550 230
1064,0 669,0 25,6 750 550 322
Т+Ш 1050,0 679,0 24,8 750 550 550
1072,0 670,0 28,8 750 550 250
Т+ПС\ 1084,0 700,0 31,5 750 550 350
1073,0 691,0 29,5 750 550 315
Т+Ш+ПС\ 1089,0 710,0 32,0 750 550 372
1080,0 700,0 30,5 750 550 340
Нормы 36ТУ-77 > 1000 > 680 > 13 750 550 > 300
Примечание . Материал — сплав ЭИ 437БУ-ВД; Т — точение; Ш — шлифование; ПСА — обработка в псевдоожиженном абразиве
Заключение
Но основе проведенных исследований и полученных результатов установлены основные технологические особенности формирования параметров качества несущих поверхностей валов компрессоров ГТД.
Наиболее эффективными методами отделочно-упрочняющей обработки пустотелых тонкостенных валов компрессоров являются алмазное выглаживание и обработка в псевдоожиженном слое абразива с применением воздушных струй.
Литература
1. Сулима A.M. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов / Сулима A.M., Евстегнеев М.И. — M.: Машиностроение, 1974. - 256 с.
2. Сулима A.M. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / Сулима A.M., Шулов B.A., Ягодкин Ю.Д. - М.: Машиностроение, 1988. — 273 с.
3. Богуслаев B.A. Технологическое обеспечение и прогнозирование несущей способности деталей ГТД / Богуслаев B.A., Яценко В.К., Притченко В.Ф. — К.: Mанускрипт, 1993. — 333 с.
4. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Валы ГТД. Часть IV. Mонография / [Богуслаев B.A., Качан A^., Титов B.A. и др. ] — Запорожье: AO «MOTOP СИЧ», 2014. — 291 с.
5. Формирование поверхностного слоя деталей выглаживанием с ультразвуковым на-гружением. Mонография. / [Богуслаев B.A., Титов B.A., Качан A^. и др.] — Запорожье, AO «MOTOP СИЧ», 2012. — 236 с.
Поступила в редакцию 20.06.2014
О.Я. Качан, В.А. Тггов, В.Ф. Мозговий, С.О. Уланов. Технолопчш особливост формування параметр1в якосп несучих поверхонь ва.мв компресор1в ГТД
Представлено резулътати експериментальних досл1джень обробно-змщнювально! об-робки вал1в компресор^в ГТД алмазним вигладжуванням i в псевдозр^дженому абразива 1з застосуванням повтряних струмешв.
Ключов1 слова: вали компресора, алмазне вигладжування, обробка в псевдозрiдженому абразивi, повтряш струмеш, границя витривалостi, тривала мщшстъ, шорсткстъ, мкротвердстъ, мкроструктура, залишковi напруги.
A.Ya. Kachan, V.A. Titov, V.F. Mozgovoy, S.A. Ulanov. Technological aspects of quality parameters configuration for load-bearing surfaces of gas-turbine engine compressor shafts
Presented are the results of experimental investigations of finishing-and-strengthening treatment of gas-turbine engine compressor shafts by diamond smoothening and by processing in abrasive fluidized bed with the use of air jets.
Key words: compressor shafts, diamond smoothing, processing in abrasive fluidized bed, air jets, durability limit, long-time strength,, surface roughness, microhardness , microstructure , residual voltages.
