Научная статья на тему 'Технологические особенности формирования параметров качества несущих поверхностей валов компрессоров ГТД'

Технологические особенности формирования параметров качества несущих поверхностей валов компрессоров ГТД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
196
44
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
валы компрессора / алмазное выглаживание / обработка в псевдоожиженном абразиве / воздушные струи / предел выносливости / длительная прочность / шероховатость / микротвердость / микроструктура / остаточные напряжения. / compressor shafts / diamond smoothing / processing in abrasive fluidized bed / air jets / durability limit / long-time strength / surface roughness / microhardness / microstructure / residual voltages.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — А Я. Качан, В А. Титов, В Ф. Мозговой, С А. Уланов

Представлены результаты экспериментальных исследований отделочно-упрочняющей обработки валов компрессоров ГТД алмазным выглаживанием и в псевдоожиженном абразиве с применением воздушных струй.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

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.

Текст научной работы на тему «Технологические особенности формирования параметров качества несущих поверхностей валов компрессоров ГТД»

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.