CC BY
45
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.
