close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение эффективности профильного глубинного шлифования турбинных лопаток за счет применения инструмента с повышенной структурностью и пористостью.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ГОРИН НИКОЛАЙ АНДРЕЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОФИЛЬНОГО
ГЛУБИННОГО ШЛИФОВАНИЯ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК
ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА С ПОВЫШЕННОЙ
СТРУКТУРНОСТЬЮ И ПОРИСТОСТЬЮ
Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической
и физико-технической обработки
05.02.07 – Технология и
и физико-технической обработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва, 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Московский государственный технологический университет
«СТАНКИН»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Старков Виктор Константинович
ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин», г. Москва
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Журавлев Владимир Васильевич
ОАО «ВНИИАЛМАЗ», г. Москва
Начальник лаборатории
кандидат технических наук
Ермолаев Вадим Константинович
ООО «СП СТАНКОВЕНДТ» г. Москва
Заместитель генерального директора
Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Рыбинская государственная
авиационная технологическая академия им. П.А.
Соловьева» г. Рыбинск, Ярославская обл.
Защита диссертации состоится «_22_»___мая____ 2013 г. в _14_ часов на
заседании диссертационного совета Д 212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ
«СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ
«СТАНКИН».
Ваши отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, просим
направить по указанному адресу.
Автореферат разослан «_19_» ___апреля___ 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
канд. техн. наук, доцент
2
М.А. Волосова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Повышение производительности обработки при
обеспечении требуемой точности и качества деталей авиационных двигателей
является важнейшим направлением отрасли авиационного двигателестроения.
Технологии профильного глубинного шлифования позволяют получать
сложные по форме фасонные поверхности различных деталей с высокой
точностью и производительностью, за счет совмещения в одной операции
предварительной и финишной обработки.
В области глубинного шлифования отечественными и зарубежными учеными было выполнено огромное количество исследований, по результатам которых достигнуто повышение производительности процесса до 5 раз по сравнению с применяемой ранее лезвийной обработкой.
В значительной степени эффективность процесса глубинного шлифования лопаток газотурбинных двигателей определяется эксплуатационными возможностями режущего инструмента.
Повышение номера структуры (уменьшение объемного содержания абразивного зерна в инструменте) оказывает благоприятное влияние на термодинамику глубинного шлифования и создает предпосылки для повышения производительности процесса при достижении требуемого качества обработки. При
этом повышается эффективность резания каждого зерна, а дополнительные поры являются емкостью для размещения срезаемой стружки и частиц смазочноохлаждающей жидкости. Уменьшается работа трения при шлифовании и, как
следствие, интенсивность теплообразования. В результате чего температура в
зоне резания снижается.
Абразивные заводы в России используют технологию изготовления абразивного инструмента с применением фруктовой косточки. По такой технологии
изготавливают круги со структурой N=10…12. При этом, например, при изготовлении кругов с номером структуры 12 твердостью G по причине повышенной усадки и растрескивания мог возникать брак, достигающий до 40% выпуска, что существенно увеличивало себестоимость их производства.
Для сравнения, известные на мировом рынке абразивного инструмента зарубежные фирмы, такие как Carborundum (Германия), Norton (США-Франция),
Rappold Winterthur (Австрия-Швейцария), Tyrolit (Австрия) и др. предлагают
для глубинного шлифования высококачественные высокопористые шлифовальные круги с номерами структуры до 22 и выше с повышенной твердостью и
разрывной прочностью, обеспечивающей рабочую скорость до 75 м/с.
Применение абразивного инструмента с высокими номерами структуры
позволяет интенсифицировать процесс профильного глубинного шлифования
фасонных (в том числе и тонкостенных) поверхностей лопаток турбины авиационных двигателей за счет снижения термодинамической напряженности процесса шлифования, а также возможности применения форсированных режимов
обработки, что является весьма актуальным для современного машиностроения.
3
Работы по тематике диссертации выполнялись по хозяйственным
договорам с ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» и ОАО «Волжский
абразивный завод» (2010-2012гг).
Результаты работы были представлены на 3-ей Международной
Конференции инноваций и изобретений (3rd International Innovation and
Invention Conference (IIIC-2012)) г. Тайбэй (Тайвань), где были отмечены
дипломом с отличием.
Целью работы является повышение эффективности процесса
профильного глубинного шлифования лопаток газотурбинных двигателей из
жаропрочных никелевых сплавов за счет применения высокопроизводительного абразивного инструмента с повышенной структурностью и
пористостью.
Для реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Анализ теоретических предпосылок и резервов повышения
эффективности процесса глубинного шлифования за счет использования
шлифовальных кругов с более высокими номерами структуры от 16 до 22 в
отличие от применяемых кругов с N=10…12.
2. Анализ технико-экономических показателей процесса глубинного
шлифования лопаток газотурбинных двигателей кругами с повышенной
структурностью.
3. Проведение экспериментальных исследований технологических и
эксплуатационных свойств шлифовальных кругов для глубинного шлифования
с номерами структуры 16, 18, 20 и 22.
4. Изготовление опытных образцов высокопористого абразивного
инструмента с повышенными номерами структуры и анализ эффективности его
применения на операциях глубинного шлифования лопаток газотурбинных
двигателей.
5. Производственные испытания и внедрение высокоструктурных
шлифовальных кругов на операциях профильного глубинного шлифования.
Методика исследований. Исследования, выполненные в работе,
опирались на научные положения теории резания материалов, основ
шлифования и проектирования абразивного инструмента. Достоверность
полученных результатов подтверждается заводскими испытаниями и их
внедрением в производство.
Научная новизна работы заключается в:
– установленных взаимосвязях показателей эффективности процесса
глубинного шлифования (производительности, энергоемкости и экономичности
процесса, расхода абразива и др.) со структурностью применяемого
абразивного инструмента;
– модели для анализа распределения удаляемого припуска по проходам,
обеспечивающего оптимальные значения технико-экономических показателей
глубинного шлифования инструментом с повышенной структурностью;
– математических моделях связи технологических (плотности и прочности
сырца, деформации и потери массы при обжиге) и эксплуатационных (плотности,
4
твердости и разрывной прочности после обжига) свойств абразивно-керамических
композиций для номеров структуры 16…22.
Практическая значимость работы состоит в:
– сформулированных технологических решениях для повышения
эффективности процесса глубинного шлифования;
– полученных результатах производственных испытаний и внедрений, а
также разработанных рекомендациях по применению для профильного
глубинного шлифования турбинных лопаток высокопроизводительных
шлифовальных кругов с повышенной структурностью и пористостью.
Реализация работы. Производственные испытания абразивного
инструмента, а также технологии с его применением проведены на
машиностроительных предприятиях в России: НПЦ «Газотурбостроения «Салют»
(г. Москва), заводе «Турбодеталь» ф-л ОАО «Газэнергосервис» (г. Наро-Фоминск,
Московская обл.), ООО «Самоточка» (г. Москва).
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на
всероссийской научно-образовательной конференции «Машиностроение –
традиции и инновации (МТИ-2010)» (Москва, 2010г.), всероссийской научнообразовательной конференции «Методы повышения технологических
возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ» (Уфа: УГАТУ,
2010г.), всероссийской молодежной научно-практической конференции с
международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего»
(Екатеринбург, 2012.), международной научно-практической конференции
«Достижения и перспективы естественных и технических наук» (Ставрополь,
2012г.), международной научно-практической конференции «Техника и
технология: новые перспективы развития» (Москва, 2012г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в
том числе 6 статей в рецензируемых российских изданиях, включенных в
обязательный перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
общих выводов, списка литературы /128 наименований/ и приложения,
содержащего акты производственных испытаний. Общий объем диссертации 168
страниц, содержит 40 рисунков и 22 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации,
раскрываются основные положения работы, обозначена ее практическая
значимость.
В первой главе, основываясь на обзоре литературных источников,
выполнен анализ состояния вопроса, связанного с технологическими
особенностями и условиями глубинного шлифования турбинных лопаток и
применяемым для этого абразивным инструментом, сформулирована цель и
задачи исследования.
Вопросам исследования механизма стружкообразования, микрорезания
единичным зерном, динамики и кинематики процесса, термодинамических явлений и т.д. при профильном глубинном шлифовании, а также применяемого
5
для обработки абразивного инструмента посвящены научные труды Авилова
А.В., Волкова Д.И., Ермолаева В.К, Зубкова А.Б., Лобанова А.В., Макарова
В.Ф., Носенко В.А., Полетаева В.А., Рыкунова Н.С., Рябцев С.А., Силина С.С.,
Семиколенных В.В., Старкова В.К., Хрулькова В.А., Цветков Е.В. и др.
Решение проблемы повышения эффективности профильного глубинного
шлифования при одновременном обеспечении требуемого качества деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов является достаточно сложной задачей в связи с разработкой и применением новых марок сплавов на никелевой основе. Повышенная жаропрочность сплавов оказывает отрицательное
влияние на обрабатываемость материала, приводит к снижению производительности и повышению себестоимости операции.
Одним из путей повышения эффективности профильного глубинного
шлифования является значительное увеличение скорости резания. Этому вопросу посвящены научные труды Макарова В.Ф., Попова А.Н., Семиколенных
В.В. и др.
Возможность повышения эффективности профильного глубинного шлифования деталей газотурбинных двигателей за счет разработки и применения
новых технологических процессов многокоординатной обработки с использованием современного оборудования рассмотрена в работах Волкова Д.И., Полетаева В.А., Цветкова Е.В и др.
К числу возможных путей повышения эффективности профильного глубинного шлифования лопаток газотурбинных двигателей относится разработка
нового высокопористого абразивного инструмента с высокими номерами
структуры. Изучению особенностей проектирования, изготовления и применения высокопористого абразивного инструмента с повышенной структурностью
посвящены работы Кудряшова Б.П., Курдюкова В.И., Попова С.А., Силина
С.С., Старкова В.К., Рябцева С.А. и др.
На основании выполненного обзора определены цель и основные задачи
диссертационной работы.
Во второй главе рассматриваются теоретические предпосылки
повышения эффективности процесса профильного глубинного шлифования при
использовании высокоструктурного инструмента.
Эффективность технологического процесса профильного глубинного
шлифования – это емкое и интегральное понятие. Оно предусматривает
сравнительную оценку различных вариантов обработки по набору параметров,
характеризующих различные стороны рассматриваемого технологического
процесса.
В целом, эффективность процесса глубинного шлифования определяется
эксплуатационными возможностями абразивного инструмента и рациональным
выбором параметров обработки и правки круга.
Целесообразность и эффективность назначения характеристики
шлифовального круга и режима глубинного шлифования применительно к
конкретной операции обработки с учетом обрабатываемой детали (материала,
требований к точности и качеству обработки) и выбранного оборудования
6
(жесткости системы резания, условий правки инструмента, охлаждение и др.)
может быть установлена технико-экономическим анализом.
Рассмотрены два основных направления повышения эффективности
глубинного шлифования, а именно применение абразивного инструмента с
повышенной структурностью и использование рациональных параметров
режима обработки и правки шлифовального круга.
К числу основных управляемых факторов глубинного шлифования,
определяющих его эффективность, относятся оптимальность назначения
высокопористого инструмента, его рабочий профиль и условия восстановления
в процессе обработки, величина припуска, количество проходов для его
удаления, параметры режима шлифования и правки круга на каждом его
проходе.
Наименее изученной из указанных управляемых факторов глубинного
шлифования остается процедура разбивки припуска на обрабатываемую
поверхность детали на оптимальное количество проходов с точки зрения
производительности, экономичности и качества исполнения операции в целом.
В связи с чем, предпринята попытка разработать технологические
принципы рационального распределения припуска путем численного
моделирования вариантов его удаления за один и несколько проходов
шлифовального круга.
Для решения поставленной задачи была выполнена компьютерная
имитация реального процесса глубинного шлифования елочного профиля замка
турбинной лопатки из жаропрочного никелевого сплава марки ЖС26 – ВИ с
различными вариантами исполнения процесса обработки со сравнительной их
оценкой по комплексу технико-экономических показателей.
Рассматривая полученные результаты расчетного моделирования, можно
отметить очевидную закономерность: по всем выбранным показателям
технико-экономического анализа процесс глубинного шлифования с удалением
припуска за один проход круга имеет преимущества перед многопроходной
обработкой (рис.1, 2).
В результате выполненного анализа можно сделать главный вывод: с
точки зрения производительности и экономичности процесса глубинного
шлифования целесообразно выполнять за один проход удаления припуска на
обработку.
Два важных обстоятельства не всегда позволяют реализовать такую
идеологию. Во – первых, имеется ограничение по допустимой мощности
процесса для конкретных условий обработки. Это относится к мощности
главного привода станка, которая должна быть достаточной для съема
заданного объема материала за один проход круга.
Два важных обстоятельства не всегда позволяют реализовать такую
идеологию. Во – первых, имеется ограничение по допустимой мощности
процесса для конкретных условий обработки. Это относится к мощности
главного привода станка, которая должна быть достаточной для съема
заданного объема материала за один проход круга.
7
0,35
τ,мин
Q,мин-1
qa,см3
11
2
0,3
U,кВт·ч
12,5 0,025
9,5
0,25
8
0,2
10
1
0,02
8
2
0,015
6
6,5
5
0,15
1
0,01
0,1
2
0,05
0,005
0,5
2
3
Число проходов
4
2
0
0
-1
0
1
4
3,5
1
5
Рис. 1. Зависимости машинного времени
(1) и производительности обработки (2)
от количества проходов при глубинном
шлифовании
2
3
Число проходов
4
5
Рис. 2. Зависимости энергоемкости
операции (1) и расхода абразивного
материала (2) от количества проходов при
глубинном шлифовании
Во – вторых, при обработке ответственных деталей, к которым
предъявляются повышенные требования по эксплуатационным свойствам,
необходимо учитывать величину и характер нагружения обрабатываемой
поверхности детали в процессе шлифования. В этом случае надо
минимизировать термодинамическое воздействие с тем, чтобы получить в
итоге не только заданные параметры шероховатости и точности
обрабатываемой детали. Дополнительно надо сформировать структурное
состояние поверхностного слоя с физико-маханическими свойствами.
По этой причине оправдано увеличение числа проходов до 2 -3 с тем,
чтобы на первом проходе сошлифовать основную массу припуска, а на 2-м и 3м проходах гарантировать достижение заданных требований по точности и
качеству обработанной детали.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных
исследований влияния структурности на технологические и эксплуатационные
свойства абразивно-керамических композиций, их анализ и разработанные
математические модели связи исследуемых параметров с объемным
содержанием зерна для номеров структуры от 16 до 22.
Для исследований в НИЦ «Новые технологии и инструменты»были
разработаны 2 варианта рецептурных составов высокопористых абразивнокерамических композиций с особо высокими номерами структуры 16, 18, 20, 22
на основе электрокорунда белого марки 25А с различным составом
наполнителей на керамической связке и объемным содержанием зерна 0,3, 0,26,
0,22, 0,18, соответствующим номеру структуры.
Анализ экспериментальных данных позволил установить взаимосвязь
структурности на технологические и эксплуатационные свойства абразивнокерамических композиций. Разработка математических зависимостей
производились с помощью специальной компьютерной программы
многофакторного корреляционного и регрессионного анализов MatLab.
Разработанные математические модели представляют собой логарифмический
полином второго порядка (см. таблицу 1).
8
Таблица 1
Математические модели связи основных технологических и
эксплуатационных свойств шлифовальных кругов со структурностью
абразивной массы и оценка их адекватности.
Свойство
Математическая модель
Прочность
на изгиб сырца
Плотность
сырца
Деформация по
диаметру
Деформация по
высоте
Объемная
деформация
Выгорание
массы
Плотность
обож. образца
Твердость по
глубине лунки
Разрывная
прочность
обож. образца
1)lnσ u = -11,865lnV 3 -4,412ln2V 3 -11,116
2)lnσ u = 1,302lnV 3 +0,264ln2V 3 -2,250
1)lnγ 0 =0,998+0,449 lnV 3 +0,082 ln2V 3
2)lnγ 0 =0,892+0,286 lnV 3 +0,031 ln2V 3
1)lnεD =-4,616 lnV 3 -1,003 ln2V 3 -4,063
2)lnεD =-5,138 lnV 3 -1,201 ln2V 3 -4,417
1)lnεH =0,859+0,347 lnV 3 +0,438 ln2V 3
2)lnεH =-2,581lnV 3 -0,481 ln2V 3 -1,769
1)lnεV =-1,891 lnV 3 -0,217 ln2V 3 -0,366
2)lnεV =-3,923 lnV 3 -0,863 ln2V 3 -2,109
1)lnεM =0,643-2,137 lnV 3 -0,542 ln2V 3
2)lnεM =0,671-2,079lnV 3 -0,534 ln2V 3
1)lnγ =1,050+0,674 lnV 3 +0,160 ln2V 3
2)lnγ =0,941+0,517lnV 3 +0,116ln2V 3
1)lnh л =2,443+0,589 lnV 3 +0,180 ln2V 3
2)lnh л =1,927+0,072 lnV 3 +0,038 ln2V 3
1)lnσ P =-10,819lnV 3 -3,459 ln2V 3 -7,348
Качество модели
КМК F-отн.
ОД
0,863 14,611 0,2804
0,641
3,502
0,6469
1,0
599185 0,00002
0,999 2641,3 0,0005
0,9817 133,225 0,0397
0,9846 158,709 0,0335
0,9227 28,662 0,1633
0,9144 25,515 0,1802
0,9786 113,352 0,046
0,9734 90,35
0,0576
0,9971 858,35 0,0063
0,9967 759,60 0,0071
0,995 537,55 0,0101
0,996 638,26 0,0085
0,505
1,713
0,819
0,202
0,214
1,054
0,603
2,868
0,699
2)lnσ P =0,702+1,508lnV 3 +0,897 ln2V 3
0,826
10,785
0,348
В качестве примера на рис. 3-8 показана графическая интерпретация
полученных зависимостей.
Одним из наиболее важных показателей технологичности изготовления
абразивного инструмента является прочность заформованного сырца, которая
обеспечивает необходимую устойчивость к разрушению заготовки инструмента
при его транспортировании до обжига.
В ходе экспериментов было установлено, что с увеличением
структурности от N=16…18 прочность сырца на изгиб на образцах,
изготовленных по рецептурным составам варианта №1, остается практически
неизменным и составляет 0,0411 и 0,0431 МПа. Полученные данные говорят об
увеличении прочности в пределах 4,5%, что соответствует статистической
ошибке измерения. Увеличение номера структуры до 22 приводит почти к
двукратному уменьшению прочности сырца на изгиб и составляет 44%. На
образцах, изготовленных по варианту №2, с увеличением номера структуры с
16 до 22 прочность сырца стабильно уменьшается до 20%.
Как показали исследования, повышение номера структуры с 16 до 18
сопровождается незначительным увеличением объемной деформации (на 1%).
Начиная с 18 структуры при повышении на каждые 2 номера объемная
деформация увеличивалась на 1,5…2,5%.
9
εV,%
σu, МПа
0,055
10,5
10
9,5
9
8,5
8
7,5
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
3,5
0,05
0,045
1
0,04
0,035
2
0,03
0,025
0,02
0,015
14
16
18
20
2
14
N24
22
1
Рис. 3. Прочность на изгиб сырца 1- вариант №1, 2вариант №2 в зависимости от номера структуры
16
18
20
22
N24
Рис. 4. Деформация по объему после обжига
образцов 1- вариант №1, 2- вариант №2 в
зависимости от номера структуры
εM,%
γ, г/см3
15,3
1,65
2
14,7
1
1,6
14,1
13,5
1,55
12,9
1,5
12,3
11,7
1,45
1
11,1
2
10,5
14
16
18
20
N24
22
1,4
14
Рис. 5. Потеря массы после обжига образцов 1вариант №1, 2- вариант №2 в зависимости от
номера структуры
hл, мм
18
20
22
N24
Рис. 6. Плотность обожженного образца 1- вариант
№1, 2- вариант №2 в зависимости от номера
структуры
4
7,8
16
σp, МПа
3,7
7,6
3,4
7,4
1
3,1
G
7,2
2,8
2,5
7
2,2
6,8
6,6
H
6,4
N
6,2
14
1
1,9
2
16
18
20
22
1,6
1,3
2
1
14
24
Рис. 7. Зависимость твердости шлифовальных
кругов 1- вариант №1, 2- вариант №2 от номера
структуры (h л соответствует давлению 0,5 кгс/см2)
16
18
20
22
N24
Рис. 8. Прочность на разрыв обожженного образца
1- вариант №1, 2- вариант №2 в зависимости от
номера структуры
Кроме того, на технологичность изготовления абразивного инструмента в
значительной степени влияет процесс выгорания массы, обусловленный
формированием внутренних пор в объеме шлифовального круга.
С повышением номера структуры абразивной массы увеличивалась и
степень выгорания. Относительная потеря массы рецептурных составов
вариантов №1 и №2 16 структуры составила 11,33% и 11,02 % соответственно.
С каждым последующим увеличении номера структуры на 2 значения потеря
массы увеличивалось приблизительно на 1,2%, а для 22 структуры эти
значения уже составили 15,06% и 14,36% или в 1,4 раза больше. Вызвано это
тем, что при повышении структурности шлифовального круга необходимо
увеличивать количество наполнителя в составе абразивной массы.
10
Выполненные исследования позволили установить зависимость
твердости от объемного содержания зерна в высокоструктурных абразивнокерамических композициях. Было установлено, что повышение номера
структуры с 16 до 22 практически не отражается на изменении твердости. При
увеличении структуры до номера 22 твердость снизилась на 3,5% для варианта
№1 и 1,9%для варианта №2.
Фактическая твердость, измеренная на плашках, соответствовала
заданным значениям G-для варианта №1 и H-G-для варианта №2.
Не менее важным свойством абразивного инструмента является
разрывная прочность. От ее значений зависит предельная разрывная скорость
шлифовального круга.
Установлено, что механическая прочность на разрыв обожженных
образцов, изготовленных по варианту №1, возрастает при увеличении номера
структуры с 16 до 20 на 53%. При дальнейшем повышении структуры до 22,
прочность σ P уменьшается с 3,24 до 2,76 МПа или на 17%.
При испытании образцов, изготовленных по варианту №2 во всем
диапазоне увеличения номера структуры, их механическая прочность на разрыв
стабильно возрастала. Максимальное ее повышение составило 69,5% на
образцах со структурой 22.
В целом по интегральной оценке исследованных технологических и
эксплуатационных свойств можно сделать вывод, что для структур 16-22
образцы,
изготовленные
по
рецептурному
варианту
№1,
более
предпочтительны для промышленного освоения, чем образцы рецептурного
варианта №2.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям
эффективности профильного глубинного шлифования фасонных, в том числе и
тонкостенных, поверхностей лопаток газотурбинных двигателей с
использованием высокоструктурных шлифовальных кругов.
Эффективность процесса профильного глубинного шлифования была
исследована при обработке елочного профиля хвостовиков турбинных лопаток
авиационных двигателей из жаропрочного никелевого сплава марки ЖС26-ВИ
высокопористым шлифовальным кругом со структурой 16 типоразмера 1
500х32х203.
Для исследований была предложена схема двух- и трехпроходной
обработки с различными по производительности и расходу абразива режимами
шлифования и правкой круга.
В результате абразивный инструмент с номером структуры 16 показал
наилучшую работоспособность с производительностью до 3 раз выше
производительности обработки на предельных режимах бездефектного
шлифования, регламентированных для высокопористого круга со структурой
12.
На следующем этапе эффективность процесса глубинного шлифования
исследовалась при обработке тонкостенных поверхностей лабиринта
бандажной полки лопаток турбин, изготовленных из жаропрочного никелевого
сплава марки ЖС26-ВИ.
11
Проблемность данной операции заключается в том, что при глубинном
шлифовании с интенсивным нагревом обрабатываемые тонкостенные ажурные
элементы бандажной полки с толщиной от 0,5 до 0,8 быстро прогреваются с
появлением явно выраженных признаков прижога. Дополнительным
негативным фактором операции является низкая жесткость системы резания,
обусловленная консольным креплением обрабатываемой заготовки.
Операция профильного глубинного шлифования лабиринта бандажной
полки ведется за 6 технологических переходов. Наиболее сложными являются
обработка средней части бандажной полки и обработка задней поверхности
(рис. 9 а, б), где практически невозможно выполнять обработку без прижога.
Кроме того, на них фиксируется повышенный износ шлифовального круга в
местах сопряжения гребешка с поверхностью основания бандажной полки и не
обеспечивается заданный чертежом радиус сопряжения, равный 1±0,2 мм.
а)
б)
Рис. 9. Обработка а) средней части лабиринта бандажной полки (переход 5); б) задней
поверхности лабиринта бандажной полки (переход 6)
В настоящее время на операции шлифования лабиринта бандажной полки
используется шлифовальный круг типоразмера 1 300х25х76,2 со структурой 10.
Снижение
термодинамической
напряженности
в
зоне
обработки
обеспечивается за счет возможного максимального уменьшения скоростей
шлифования и подачи детали, а также за счет увеличения числа проходов
шлифовального круга. Что в свою очередь, безусловно, снижает
производительность обработки.
В ходе исследований в качестве режущего инструмента использовался
шлифовальный круг типоразмера 1 300х25х76,2 с характеристикой 25А F80 H
22 V, который был специально разработан и изготовлен для специфичных
условий глубинного шлифования лабиринта бандажной полки.
На
первом
этапе
обработка
проводилась
на
режимах,
регламентированных для абразивного инструмента 10 структуры. Все
технические требования к точности и качеству обработки инструментом 22
структуры были достигнуты без визуально наблюдаемых прижогов, в том
числе, на проблемных переходах (рис. 9). При этом радиус сопряжения
12
гребешка с поверхностью бандажной полки соответствовал заданному
чертежом значению.
В дальнейшем была экспериментально проверена возможность
форсирования параметров режима шлифования. С увеличением только
скорости подачи детали на черновом проходе 5-го перехода с 60 до 100 мм/мин
при сохранении скорости круга 15 м/с, сохраняется и положительный эффект
применения высокоструктурного круга на точность и качество обработки.
В продолжение исследований была проверена также возможность
повышения скорости шлифования. При одновременном увеличении скорости
шлифования до 20 и 25 м/с на 5-м переходе, а скорости перемещения детали до
100 мм/мин и 150 мм/мин или почти в 1,5 раза относительно рекомендованных,
технические требования на обработку выполняются без прижога.
Ощутимый эффект повышения скорости круга проявляется на 6-м
переходе: на скорости 25 м/с при скорости детали 150 мм/мин (в 1,5 раза выше,
чем при обработке кругом 10 структуры) без осыпания шлифовального круга
по радиусу сопряжения гребешка и поверхности основания.
В итоге можно с уверенностью говорить о том, что применение на
операции глубинного шлифования тонкостенных поверхностей турбинных
лопаток абразивного инструмента со структурой 22 позволяет решить проблему
образования прижогов, за счет снижения термодинамической напряженности в
зоне обработки, а также повысить производительность бездефектной обработки
на наиболее проблемных переходах при обработке средней части бандажной
полки и задней поверхности до 1,7 и 1,5 раз соответственно за счет увеличения
скорости круга до 25 м/с и скорости перемещения детали до 100 – 150 мм/мин.
В пятой главе приведены результаты производственных испытаний
высокоструктурных шлифовальных кругов при профильном глубинном
шлифовании лопаток газотурбинных двигателей.
Результаты
производственных
испытаний
и
промышленного
использования шлифовальных кругов с высокими номерами структуры
N=16…22, изготовленных по технологии МГТУ «Станкин» на ОАО «Волжский
абразивный завод», свидетельствуют о высокой эффективности абразивного
инструмента в сравнении с известными аналогами отечественных и
зарубежных фирм.
Применение высокоструктурных шлифовальных кругов на операциях
глубинного шлифования турбинных лопаток, изготовленных из жаропрочных
сплавов марок ЖС6-У, ЖС26 и ЖС32-ВИ, позволяет повысить
производительность обработки до 2 раз при одновременном снижении расхода
абразива до 2 – 2,5 раз.
Установлено, что абразивный инструмент с номерами структуры 16…22,
изготовленный по технологии МГТУ «Станкин», по динамической
напряженности процесса, качеству обрабатываемой поверхности и
работоспособности на операциях глубинного шлифования не уступает
зарубежному аналогу – инструменту фирмы Tyrolit (Австрия).
На основе результатов производственных испытаний и опыта внедрения
шлифовальных кругов повышенной структурности, изготовленных по
13
технологии МГТУ «Станкин», разработаны рекомендации по применению
нового инструмента на различных операциях профильного глубинного
шлифования лопаток газотурбинных двигателей.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.
1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача по
повышению эффективности процесса профильного глубинного шлифования
лопаток газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых сплавов.
Решение данной задачи основано на выявленных преимуществах применения
высокопроизводительного абразивного инструмента с высокой структурностью
и пористостью.
2. Повышение номера структуры абразивного инструмента позволяет не
только повысить производительность профильного глубинного шлифования за
счет возможного форсирования параметров режима обработки, но и
экономичность процесса обработки за счет снижения энергоемкости и расхода
абразивного материала.
3. Распределение удаляемого припуска по проходам с использованием
разработанной модели обеспечивает оптимальные значения техникоэкономических показателей глубинного шлифования инструментом с
повышенной структурностью. Наилучшие технико-экономические показатели
процесса достигаются назначением минимально возможного количества
проходов для каждого конкретного случая обработки, которое определяется
общей величиной снимаемого припуска, а также эксплуатационными
возможностями станка и режущего инструмента.
4. Экспериментальными исследованиями абразивно-керамических
композиций с номерами структуры 16…22 установлены зависимости
технологических (плотности и прочности сырца, деформации и степени
выгорания массы при обжиге) и эксплуатационных (плотности, твердости и
разрывной прочности после обжига) свойств от объемного содержания
абразивного зерна от 30% до 18%. Разработаны математические модели,
позволяющие на этапе проектирования сделать прогноз о формируемых
технологических и эксплуатационных свойствах нового инструмента.
5. Установлено, что при уменьшении объемного содержания зерна в
шлифовальном круге до 2,8 раз при N=22 (18%об.) относительно нормальной
структуры N=6 (50%об.), инструмент сохраняет высокую режущую
способность и позволяет предотвращать шлифовочные прижоги тонкостенных
элементов деталей при одновременном увеличении производительности
процесса в 1,5 раза.
6. При профильном глубинном шлифовании фасонных поверхностей
деталей из жаропрочного сплава на никелевой основе абразивный инструмент с
номером структуры 16 показал наилучшую работоспособность по сравнению с
высокопористым кругом со структурой 12. На предельных режимах
бездефектного шлифования производительность повысилась до 3 раз, а ресурс
эксплуатации инструмента по количеству обработанных деталей до его полного
износа повысился в 3,3 раза.
14
7. Новые высокоструктурные шлифовальные круги различных
типоразмеров и характеристик внедрены на ФГУП «НПЦ газотурбостроения
«Салют» на 12 операциях глубинного шлифования лопаток газотурбинных
двигателей из жаропрочных никелевых сплавов. Достигнуто повышение
производительности процесса до 2…2,5 раз и сокращение расхода абразивного
материала до 3 раз при снижении ее технологической себестоимости.
Основные положения диссертации отражены в работах:
Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:
1. Горин Н.А. Сравнительные испытания высокопористых шлифовальных
кругов различных производителей при профильном глубинном шлифовании
турбинных лопаток// Старков В.К., Рябцев С.А., Горин Н.А., Костров С.В.,
Бондарчук Т.П., Абысов И.А.// Вестник МГТУ “СТАНКИН”. Москва. 3(11),
2010. С. 18-22.
2. Горин Н.А. Профильное глубинное шлифование хвостовиков лопаток
газоперекачивающих установок новым высокопористым инструментом//
Рябцев С.А., Бондарчук Т.П., Горин Н.А. //Вестник МГТУ “СТАНКИН”.
Москва. 2(10), 2010. С. 28 – 31.
3. Горин Н.А. Профильное глубинное шлифование хвостовиков лопаток
инструментом отечественных и зарубежных производителей. // Старков В.К.,
Рябцев С.А., Горин Н.А., Костров С.В., Бондарчук Т.П., Абысов И.А.//
“Справочник. Инженерный журнал” Научный рецензируемый журнал. М.:
Издательство Машиностроение, №10,2010. С. 28 – 32.
4. Горин Н.А. Технико-экономическое обоснование выбора количества
проходов при глубинном шлифовании //Старков В.К., Рябцев С.А., Горин Н.А.
// Вестник МГТУ “СТАНКИН”. Москва. 1(13), 2011. С. 38 – 42.
5. Горин Н.А. Технико-экономические показатели профильного глубинного
шлифования // Горин Н.А., Васенко С.М. // Вестник МГТУ «СТАНКИН». №1.
Т.1. 2012. С. 37-40.
6. Горин Н.А. Оценка удаляемого сечения при глубинном шлифовании //
Вестник МГТУ «СТАНКИН». №2. (20) 2012. С. 61-63.
Публикации в других изданиях: (конференции)
7. Горин Н.А. Качество обработанной поверхности хвостовиков турбинных
лопаток при глубинном шлифовании высокоструктурными кругами // Горин
Н.А., Васенко С.М. // Сб. статей V Международной научно-практической
конференции «Техника и технология: новые перспективы развития». Москва:
«Спутник +». 2012г. С. 71-73.
8. Горин Н.А. Качество обработки хвостовиков турбинных лопаток при
глубинном шлифовании высокоструктурными кругами // Старков В.К., Рябцев
С.А., Горин Н.А.// Сб. научных трудов «Методы повышения технологических
возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ». Уфа: УГАТУ.
2010г. С. 51-55.
9. Горин Н.А. Создание и применение абразивного инструмента нового
поколения с повышенной структурностью и управляемой пористостью //
15
Старков В.К., Рябцев С.А., Горин Н.А. // Материалы III Научнообразовательной конференции «Машиностроение – традиции и инновации
(МТИ-2010)». Москва. 2010г. С. 196-202.
10.
Горин
Н.А.
Высокоэффективная
технология
профильного
формообразования шлифованием замков лопаток из жаропрочных никелевых
сплавов // Старков В.К., Рябцев С.А., Горин Н.А // Science intensive technologies
in mechanical engineering. №2, 2011. С. 23-28.
11. Горин Н.А. Применение абразивного инструмента нового поколения в
машиностроении // Григорьев С.Н., Горин Н.А., Васенко С.М. // Сб. статей I
Международной
научно-практической
конференции
«Достижения
и
перспективы естественных и технических наук». Ставрополь. 2012г. С. 33-34.
12. Горин Н.А. Технико - экономическое моделирование высокопроизводительного процесса глубинного шлифования // Горин Н.А., Васенко С.М. // Сб. статей Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего». Екатеринбург. - 2012. - Апрель. - С.50-53.
***
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических
наук
Горин Николай Андреевич
Повышение эффективности профильного глубинного шлифования
турбинных лопаток за счет применения инструмента с повышенной
структурностью и пористостью.
_______________________________________________________________________________
Формат 60х90 1/16 Бумага 80 г/м2
Подписано в печать 15.04.2013
Усл. п.л. – 1 Тираж 100 экз. Заказ №93
Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин». 127994, Москва,
ГСП-4, Вадковский пер., д.1
16
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа