Научная статья на тему 'Управление величиной оптимальной скорости резания при протягивании деталей ГТД на станке с ЧПУ'

Управление величиной оптимальной скорости резания при протягивании деталей ГТД на станке с ЧПУ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
235
44
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРОТЯЖКА / ТЕМПЕРАТУРА РЕЗАНИЯ / ОПТИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ РЕЗАНИЯ / ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ / ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Макаров Владимир Федо-рович, Туктамышев Виталий Рафаилович

Представлены результаты теоретического и экспериментального определения температуры резания каждым зубом многозубой протяжки при протягивании деталей газотурбинных двигателей из труднообрабатываемых материалов в зависимости от числа одновременно режущих зубьев. Предложен новый метод скоростного протягивания с переключением скорости резания до оптимального значения на каждой секции протяжек.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Макаров Владимир Федо-рович, Туктамышев Виталий Рафаилович

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

Operation of optimal cutting speed value in broaching details of gas-turbine engine by NC machine tool

Results of theoretical and experimental determination of cutting temperature for each tooth of multiflute broach in broaching gas-turbine engines details of difficult-to-cut material subject to number of simultaneous cutting teeth are represented. New method of high-speed broaching with changing cutting speed to optimal value on each broach section is proposed.

Текст научной работы на тему «Управление величиной оптимальной скорости резания при протягивании деталей ГТД на станке с ЧПУ»

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХ. И ФИЗ-ТЕХН. ОБРАБОТКИ

УДК 621.09

В. Ф. МАКАРОВ, В. Р. ТУКТАМЫШЕВ

УПРАВЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНОЙ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ ПРИ ПРОТЯГИВАНИИ ДЕТАЛЕЙ ГТД НА СТАНКЕ С ЧПУ

Представлены результаты теоретического и экспериментального определения температуры резания каждым зубом многозубой протяжки при протягивании деталей газотурбинных двигателей из труднообрабатываемых материалов в зависимости от числа одновременно режущих зубьев. Предложен новый метод скоростного протягивания с переключением скорости резания до оптимального значения на каждой секции протяжек. Протяжка; температура резания; оптимальная скорость резания; тепловое поле; труднообрабатываемые материалы

ВВЕДЕНИЕ

Проблема повышения производительности и качества процесса протягивания деталей газотурбинных двигателей решается путем применения метода скоростного протягивания твердосплавными протяжками.

При протягивании глубоких профильных пазов в дисках турбин и компрессоров (рис. 1) требуется обеспечить высокую точность и качество обработки (по углам профиля 4 минуты, по шагу профиля 0,005 мм, по шероховатости поверхности Яа = 1,25 мкм).

В настоящее время на большинстве предприятий моторостроения в стране и за рубежом при протягивании этих поверхностей применяются крайне неблагоприятные режимы резания 1,5-4 м/мин и протяжки из быстрорежущих сталей.

В то же время обработка этих же деталей методами точения, фрезерования, сверления проводится на скоростях резания 25-50 м/мин с применением твердосплавного инструмента. В настоящей работе поставлена задача ликвидации данного пробела в теории резания материалов на основе разработки и применения процесса скоростного протягивания твердосплавными протяжками, управляемого по закону оптимального резания, разработанного в 1961 году проф. А. Д. Макаровым.

\jBaZ5

Б-Б

б

Рис. 1. Технические требования по качеству протягиваемых профильных пазов в дисках турбин (а) и в дисках компрессора (б)

Контактная информация: [email protected]

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Теоретической основой применения скоростного протягивания твердосплавными протяжками явилось установление оптимальных температурных зон в процессе резания, при которых наблюдалось существенное снижение износа протяжек, сил резания и усадки стружки [1, 3]. Физическая природа этого явления выяснилась при проведении высокотемпературных механических испытаний образцов обрабатываемых материалов на растяжение. Установлено (рис. 2), что при определенной температуре испытаний (например, 700°С для жаропрочного деформируемого сплава на железо-никелевой основе ЭИ787ВД) наблюдается снижение пластических свойств сплава - явление провала пластичности материала (минимум относительного сужения у и удлинения 5) при значительном снижении его прочностных свойств оь. Оптимальными условиями в процессе резания принято считать такие, при которых наблюдается минимальная интенсивность износа инструмента. Для определения этих оптимальных условий проведены стойкостные и температурные эксперименты с различными подачами на зуб & от 0,02 до 0,1 мм/зуб при протягивании сплава ЭИ787ВД протяжками из твердого сплава ВК8 в диапазоне скоростей резания от 1 до 60 м/мин на скоростной протяжной установке УСП-1. В результате установлено, что минимальная интенсивность износа протяжек наблюдалась при различных оптимальных скоростях резания У0 для различных подач на зуб Бг, но при одной и той же оптимальной температуре резания То =700 С (рис. 3), совпадающей с температурой провала пластичности Тпп (рис. 2). Аналогичные результаты экспериментальных исследований получены и для других жаропрочных сплавов.

Ранее нами были установлены аналитические зависимости для расчета оптимальной скорости резания для любого обрабатываемого материала [2]. На рис. 3 приведены рассчитанные на ПЭВМ графики изменения оптимальной скорости резания У0 для различных труднообрабатываемых материалов в зависимости от изменения подачи Бг. Анализ этих графиков показывает, что с увеличением подачи Бг от

0,01 до 0,1 мм/зуб величина оптимальных скоростей резания существенно снижается.

Козл, мкм/м

а- Я2= ОД мм/зу ■— 8г=0?0бмм/з1 ♦— 8г=0Л2мм'51

ув 1-6

V, 1 )И 78' ТУ *

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 V, м/мин

б

Рис.2. Влияние температуры механических испытаний Т на прочностные ов и пластические (5, у) свойства жаропрочного сплава ЭИ787ВД (а) и влияние скорости резания У на изменение температуры резания Т (а) и интенсивность износа протяжек йозл (б) при протягивании этого сплава с различными подачами на зуб Бг

Наибольшая величина оптимальных скоростей резания наблюдается при протягивании титанового сплава ВТ3-1, а наименьшая - при протягивании жаропрочного литейного сплава ЖС6К. Отсюда следует вывод, что изменение подачи на зубьях протяжки Бг должно сопровождаться соответствующим изменением величины оптимальной скорости резания У0 с тем, чтобы на каждом режущем зубе многозубой протяжки обеспечивалась постоянная оптимальная температура контакта (резания) для данной пары обрабатываемого и инструментального материалов. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало достаточно хорошую сходимость.

а

Уо, м/мин

Рис. 3. Влияние изменения подачи на зуб &

на расчетную величину оптимальной скорости резания Уо при протягивании различных жаропрочных сталей и сплавов

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Нужно отметить, что экспериментальные исследования изменения температуры (контакта) резания и износа протяжек (рис. 2, 3 и 4) от условий протягивания проведены с применением одно и двузубых протяжек в лабораторных условиях. В то же время в производственных условиях обработка сложнофасонных поверхностей замков лопаток и пазов в дисках проводится последовательно устанавливаемыми в один или несколько блоков многосекционными протяжками с большим числом режущих зубьев. В связи с этим для обеспечения оптимальных условий резания каждым зубом протяжек в многосекционном блоке необходимо знать величину и распределение температуры резания на первом и прирост ее на всех последующих зубьях.

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование распределения тепловых полей и температуры резания в стружке, режущем клине и обработанной поверхности при протягивании многозубой протяжкой проводилось теоретическим и экспериментальным методами. Для выявления общей картины решена задача математического моделирования изменения температуры на каждом последующем зубе протяжки с использованием современные компьютерных технологий.

Полученные в ходе теоретических вычислений данные по распределению температуры резания сравнивались с экспериментальными.

Экспериментальные исследования проводились на модернизированном вертикально протяжном станке 7Б74 в диапазоне скоростей резания от 2 до 30 м/мин твердосплавными протяжками с числом режущих зубьев от 4 до 10. Измерялись одновременно с температурой резания составляющие силы резания Рг и Ру, чтобы определить моменты входа и выхода очередного зуба протяжки. Температура резания измерялась с применением искусственных термопар, встроенных в каждый зуб протяжки и с применением метода естественной термопары.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Используя известную методику проф. А. Н. Резникова для расчета тепловых полей [2], можно аналитически рассчитать температурный прирост ДQm на каждом последующем зубе многозубой протяжки.

Расчет повышения температуры резания для пятизубой протяжки проведен для условий протягивания сплава ЭИ787ВД со скоростью 20 м/мин, с подачей & = 0,02 мм/зуб, с шагом между зубьями ^о= 16мм. В результате расчета найдено: Qи = 51,2 кал/с, X = 0,044 см2/с, К = = 42,9, /о= 0,173 мм, I = 35. Из расчета следует, что, несмотря на существенное повышение общей тепловой мощности процесса, температура на каждом зубе протяжки повышается незначительно (5-6%) по сравнению с однозубой протяжкой. Причем на втором, третьем и последующих зубьях температура стабилизируется на одном уровне. Незначительный прирост на первых зубьях и стабилизация температуры на последующих зубьях объясняется тем, что в данном случае шаг зубьев достаточно велик и теплота, передающаяся из зоны резания, успевает в значительной мере рассеяться в массе детали. Аналогичные результаты получены профессором А. Н. Резниковым [2] при зенке-ровании четырехзубым зенкером стали ШХ15 и профессором Д. К. Маргулисом при протягивании стали 45Х [4].

В настоящее время появились более эффективные и точные компьютерные методы расчета параметров процесса резания. Расчет температуры резания проводился методом конечных элементов с использованием САПР пакета De-[4], а моделирование процесса осуществлялось при помощи двумерной задачи, т. к. изначально предполагалось, что заготовка находится в плосконапряженном состоянии.

Инструмент моделировался абсолютно твердым телом с передним углом у = 5°, подача & = 0,06 мм/зуб, а скорость резания V =

= 22 м/мин. Число одновременно режущих зубьев принято 3-4 с учетом толщины диска турбины ГТД и шага между зубьями. Начальная температура модели и среды 20°С. В качестве обрабатываемого материала принят жаропрочный сплав на железоникелевой основе ЭИ787ВД.

Типовая картина распределения расчетных тепловых полей и температуры в зоне резания первого зуба протяжки приведена на рис. 4. Наибольшая температура 700-720°С возникает в зоне контакта стружки с передней поверхностью зуба протяжки.

Рис.4. Типовая картина распределения полей температуры в зоне резания первого зуба протяжки

при & = 0,06 мм/зуб и V = 22 м/мин за 0,34 с. резания

В зоне плоскости сдвига температура составляет 600-650оС. В зоне контакта обработанной поверхности детали с задней поверхностью зуба температура не превышает 450-500°С. Глубина распространения теплоты резания в поверхностном слое детали составляет

0,4-0,5 мм. По глубине поверхностного слоя температура снижается с максимальной 500°С до 20°С. За режущей кромкой первого зуба вдоль обработанной поверхности температура резко уменьшается с 500°С до 30-50°С через 56 мм. В результате второй и последующие зубья протяжки вступают в работу с начальной температурой нагрева не более 30-40°С, что подтверждает предыдущие расчеты температуры резания по методике профессора А. Н. Резникова. Для сравнения аналитических расчетов проведены экспериментальные исследования температуры резания при протягивании сплава ЭИ787ВД однозубой и десятизубой протяжкой с подачей на зубьях в пределах 0,02-0,03 мм на скоростях резания 2, 8, 14 и 20 м/мин. Установ-

лено (рис. 5), что средняя температура контакта (резания) на отдельных зубьях многозубой протяжки имеет незначительные отклонения (510%) по сравнению с однозубой протяжкой, что подтверждает результаты проведенного нами математического моделирования.

Т, °С 7GG

6GG

5GG

4GG

3GG

2GG

1GG

G

ШШШШІ

—•— ■Многозубая

V=2м/мин

—А— ■Многозубая

V=8м/мин

—■— ■Многозубая

V=14м/мин

♦ ■Многозубая

V=20м/мин

Однозубая

N зуба

Рис. 5. Результаты экспериментальных

исследований температуры при протягивании сплава ЭИ787ВД однозубой и десятизубой протяжками с подачей 0,02-0,03 мм/зуб

ВЫВОДЫ

1. Таким образом, экспериментальные и теоретические исследования и полученные зависимости, выполненные нами ранее для однозубой и двузубой протяжек, с достаточной точностью могут быть использованы и при протягивании многозубыми многосекционными протяжками.

2. Это обстоятельство позволяет разработать новый способ высокоинтенсивного скоростного протягивания твердосплавными многосекционными протяжками с автоматическим переключением величины заранее установленной оптимальной скорости резания на различных секциях протяжек для использования уникальных возможностей нового протяжного станка немецкой фирмы HOFFMANN с ЧПУ с постепенным увеличением скорости резания до более высокого значения по мере снижения подачи на зубьях протяжек с 0,1 до 0,020,005 мм/зуб.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Макаров, А. Д. Оптимизация процессов резания / А. Д. Макаров. М.: Машиностроение, 1976. 280 с.

2. Резников, А. Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А. Н. Резников. М.: Машиностроение, 1981. 279 с.

3. Макаров, В. Ф. Интенсификация процесса протягивания труднообрабатываемых материалов : дис.... на соиск. уч. ст. д-ра техн. наук / В. Ф. Макаров. М.: Станкин, 1998.

4. Маргулис, Д. К. Протяжки переменного резания / Д. К. Маргулис. М.: Машгиз, 1962. 269 с.

5. Норри, Д. Введение в метод конечных элементов / Д. Норри. М.: Мир, 1981. 304 с.

ОБ АВТОРАХ

Макаров Владимир Федорович, зав. каф. технол. ма-шиностр. Дипл. инженер (Пермь, ППИ 1968). Д-р техн. наук по спец. 05.03.01 (М., МГТУ «Станкин» 1998). Иссл. в обл. оптимизации процесса резания при протягивании труднообрабаты-

ваемых сплавов.

Туктамышев Виталий Рафаилович, асп. той же каф.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.