Повышение производительности обработки криволинейных поверхностей блоков сопловых лопаток при многокоординатном глубинном шлифовании

Актуальность темы

В условиях жесткой конкуренции в авиационной промышленности производство становится все более наукоемким. Производители ГТД стараются различными способами повысить качество изготавливаемых деталей, при этом обеспечить невысокую стоимость продукции за счет внедрения новых технологий.

Одним из эффективных способов снижения стоимости продукции является оптимизация процессов обработки, позволяющая уменьшить время изготовления детали за счет увеличения производительности формообразования. Еще одним способом удешевления продукции является снижение затрат на инструмент. Эти способы имеют значение, лишь в том случае, если при их применении качество изготавливаемых деталей повышается или остается на прежнем уровне.

В настоящее время осуществляется внедрение процесса многокоординатного глубинного шлифования (МГШ) для обработки деталей, имеющих длинные криволинейные поверхности, взамен традиционной технологии обработки шлифованием-на модернизированных токарно-лобовых станках. Внедрение данного способа формообразования позволяет решить не только ряд проблем связанных с традиционной технологией, но и повысить качество поверхностного слоя обработанных деталей.

Однако, ввиду наличия на данных деталях криволинейных поверхностей, производство сталкивается с проблемами назначения режимов шлифования по причине недостаточного опыта и отсутствия информации, касающейся > теплофизических процессов, возникающих при формообразовании поверхностей такого типа глубинным шлифованием. Поэтому перенос режимов с традиционного глубинного шлифования на МГШ не позволяет обеспечить оптимальной производительности обработки.

При обработке деталей новым способом наиболее эффективным методом поддержания режущей способности инструмента является непрерывная правка.

Использование данного типа правки, без его тщательного исследования, ведет к, неизбежным потерям, вызванным излишним расходом абразивного инструмента. Следует отметить, что непрерывная: правка позволяет существенно повысить производительность, обработки. Однако может возникнуть ситуациякогда расход абразивного инструмента, не окунается повышением производительностипоэтому необходимо знать ее оптимальную величину.

Значительное: влияние на производительность глубинного' шлифования* оказывает также направление подачи: В настоящий^ момент отсутствуют модели, позволяющие математически оценить еёвоздействие: на процесс резания. Поэтому достаточносложно прогнозироватьэффективность применения той или другой подачи при различных условиях обработки;

Отсутствие математических моделей, описывающих влияние криволинейности поверхности, направленияподачи, непрерывной? иравки шлифовального круга при МГШ на теплофизические процессы, сопровождающие обработку, не позволяет эффективно' использовать данный-: вид формообразованиячто в свою очередь определяет актуальность работы для теории и практики многокоординатного глубинного шлифования.

Цель работы, Повышение производительности? обработки криволинейных поверхностей: блоков сопловых лопаток при многокоординатномтлубинном шлифовании.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математических моделей зоны контакта, тепловых и силовых, процессовпроисходящих примногокоординатном глубинном шлифовании.

2. Исследование деформаций в упругой технологической системе станка под действием сил резанияи точности обработки при? многокоординатном глубинном шлифовании.

3. Исследование влияниянаправления подачи на силовые и тепловые процессы при обработке многокоординатным глубинным пшифованием.

4. Исследование влияния" правки шлифовального круга на силовые и тепловые процессы при обработке многокоординатным глубинным шлифованием.

5. Экспериментальнаяшроверка разработанных математических моделей.

6. Разработка методики оптимизации процесса обработки с учетом обеспечения качества поверхностного слоя и точности обработки.

7. Разработка технологических рекомендацийи осуществление внедрения процесса многокоординатного глубинного шлифования в производство.

Методы исследованияПри выполненииработы использовались научные основы теориишлифованиятехнологии машиностроения, сопротивления материалов, основы теплофизики и математической физики. Экспериментальные исследования проводились, в производственных и лабораторных условиях, на специальных станках и установках, с использованием, современной1 контрольногизмерительной аппаратуры по стандартным и разработанным автором методикамМатематические: расчеты осуществлялись на современных ПК с использованием стандартных и специально разработанных программ.. При обработке экспериментальных данных использовалисьстатистические методы.

Достоверность и обоснованность научных результатов. Достоверность научных выводов и рекомендацийобеспечивается удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных.

На защиту выносятся:

— математическая^модель параметров зоны контакта абразивного круга с заготовкой: при МИ1Г криволинейных поверхностей с непрерывной правкойинструмента;

— математическая модель силовых процессов при МГШ криволинейных поверхностей с применением непрерывной правки, учитывающая схему обработки и профиль шлифовального круга;

— математическая модель тепловых процессов при МПП криволинейных поверхностей с применением непрерывной правки, учитывающая схему обработки и профиль шлифовального круга;

— математическая модель деформации абразивного инструмента;

— методики проведения экспериментов по определению тангенциальной составляющей силы шлифования, температуры возникающей в слоях заготовки, формирующих окончательную поверхность при МГШ, распределения температуры по длине контакта для попутной и встречной подачи, деформации абразивного инструмента;

— методика оптимизации режимов МГШ.

Научная новизна работы. Разработана математическая модель многокоординатного глубинного шлифования, позволяющая оптимизировать процесс и повысить эффективность обработки. В том числе разработаны:

— математическая модель зоны контакта, силовых и тепловых процессов, возникающих при многокоординатном глубинном шлифовании, учитывающая профиль шлифовального круга, криволинейность обрабатываемых поверхностей, величину правки шлифовального круга, направление подачи;

— математическая модель, позволяющая определить точность обработки при многокоординатном глубинном шлифовании, учитывающая деформацию шлифовального круга;

— исследованы закономерности влияния режимов обработки ГШ на температуру и, качество обработанной поверхности материала Ш-100.

— по результатам исследований сформулирована система ограничений области режимов обработки, обеспечивающих бездефектное многокоординатное глубинное шлифование.

Практическая значимость. На основе проведенных теоретических исследований теплофизических процессов разработана методика оптимизации режимов резания многокоординатного глубинного шлифования, позволяющая обрабатывать заготовку с высокой производительностью при использовании экономически эффективной непрерывной правки шлифовального круга с обеспечением качества обработанных поверхностей. Внедрение данной методики позволило уменьшить время изготовления деталей, а также снизить расход абразивного инструмента.

Разработана программа расчета оптимальных режимов резания, позволяющая оптимизировать процесс обработки.

Реализация результатов. Разработанная методика оптимизации процесса многокоординатного глубинного шлифования, реализованная в прикладной программе расчетов режимов обработки, позволила снизить трудоемкость обработки деталей: сектор соплового аппарата 1 ступени двигателя БаММб, сектор соплового аппарата 2 ступени двигателя БаММб, сектор соплового аппарата 3 ступени двигателя 8аМ146. На секторах СА 2 и 3 ступени осуществлено внедрение технологии обработки на оптимизированных режимах по разработанной методике. Формообразование осуществлялось на станках, предназначенных для многокоординатного глубинного шлифования 8Ь8−434. На секторах 1 ступени БаМ146 осуществлен перевод с традиционной технологии обработки, осуществляемой на станках ЛШ-278, на многокоординатное глубинное шлифование, с назначением оптимизированных режимов по разработанной методике.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроение России», Москва, 2009, на Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений», Рыбинск, 2009, на шестой всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука — региону», Вологда, 2008, на Всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов, посвященная 83-й годовщине образования ОАО, Уфа, 2008.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ в различных журналах, сборниках научных трудов и материалов конференций. Две статьи опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Изложена на 197 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 114 рисунков, 115 формулбиблиографический список содержит 135 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработанная математическая модель зоны контакта абразивного инструмента с заготовкой, при обработке многокоординатным глубинным шлифованием, позволила определить влияние профиля шлифовального круга, криволинейности обрабатываемых поверхностей, величины правки шлифовального круга на количество зерен, участвующих в процессе резания и их геометрию срезов.

2. Полученная математическая модель тепловых и силовых процессов, происходящих при многокоординатном глубинном шлифовании, позволила установить влияние профиля шлифовального круга, криволинейности обрабатываемых поверхностей, величины правки шлифовального круга, направления подачи на величину составляющих силы шлифования и температуру, возникающую в зоне резания в процессе обработки.

3. Исследование влияния непрерывной правки и режимов обработки на величину тангенциальной составляющей силы резания и изменение параметров рабочей поверхности абразивного инструмента, позволило установить, что наибольшее воздействие на режущую способность круга оказывает размер площадки затупления абразивного зерна, а также количество зерен, имеющих острые вершины.

4. Исследование деформации абразивного инструмента позволило повысить точность процесса формообразования МГШ.

5. Экспериментальная проверка адекватности разработанных математических моделей силовых и тепловых процессов, а также точности процесса формообразования МГШ позволила установить правомерность использования данных моделей для расчета режимов резания в методике оптимизации.

6. На основании экспериментальных исследований установлены закономерности влияния режимов ГШ на температуру и качество обработанной поверхности материала ГМ-100, позволившие сформулировать систему ограничений области режимов обработки, обеспечивающих бездефектное шлифование.

7. Методика оптимизации режимов резания многокоординатного глубинного шлифования, разработанная на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований теплофизических процессов, позволила реализовать обработку заготовки с высокой производительностью при использовании экономически эффективной величины непрерывной правки абразивного круга с обеспечением качества обработанных поверхностей.

8. Внедрение методики оптимизации режимов МГШ, реализованной в прикладной программе расчетов режимов резания, позволило снизить машинное время обработки секторов соплового аппарата двигателя 8аМ146 на операциях шлифования в среднем в 2,8 раза, при обеспечении экономии абразивного инструмента за счет применения оптимальной величины правки в среднем в 2,2 раза.

Исследованиями влияния наклепа поверхности на эксплуатационные показатели детали занимались М. А. Елизаветин, В. П. Когаев, Н. Д. Кузнецов и др. Обобщая результаты исследовании, можно сделать заключение, что наклеп поверхностного слоя, созданный упрочняющей обработкой, будет повышать срок работы детали только в том случае, если степень наклепа соответствует оптимальному значению для данной температуры и условий эксплуатации детали. В исследованиях [93, 83, 50, 36] сделаны выводы, что при температуре эксплуатации деталей из материалов ЭИ617, ЖС6К, ХН77ТЮР свыше 750 °C наиболее благоприятным является небольшой наклеп и&bdquo- = 2 — 6% на глубине 10−15 мкм. Для деталей обрабатываемых шлифованием из материалов ЖС6, ЖСЗ, ХН77ТЮ, ХН77ТЮР, оптимальными условиями упрочнения являются глубина наклепанного слоя кн — 0,003 -0,13 мм с микротвердостью поверхности выше сердцевины на 50 — 150 Ну.

В работе [66] осуществлены исследования глубины и степени наклепа при фрезеровании и шлифовании. По результатам исследования сделаны выводы, что величины исследуемых параметров при глубинном шлифовании меньше, чем при фрезеровании. При этом разброс данных показателей, в приделах партии образцов, в 2 раза меньше чем при фрезеровании. Что в свою очередь, по мнению авторов, свидетельствует о высокой надежности процесса.

1. 3 Традиционная обработка криволинейных поверхностей секторов.

При обработке секторов соплового аппарата (рис. 17) мы сталкиваемся с различными типами поверхностей для каждого из которых характерна своя специфика обработки. Эти поверхности подразделяются на криволинейные выпуклые, криволинейные вогнутые, конические выпуклые, конические вогнутые, плоские поверхности.

Рис. 17. Вид детали типа сектор соплового аппарата: а — сектор 1 ступени СА БаМНбб — сектор 3 ступени С, А 8аМ146.

На рис. 18. показаны данные поверхности.

До настоящего времени наибольшее распространение получили три технологии обработки криволинейных поверхностей рассматриваемых деталей.

Одна из которых, представляет собой обработку поэлементно на модернизированных токарно-лобовых станках. Шлифование производится в специальной оснастке, имитирующей положение лопаток или секторов в рабочем и статорном колесе. Шлифуется одновременно весь комплект (рис. 19). Для исключения вибраций при обработке, колесо с лопатками или секторами заливается антивибрационной массой (парафин, канифоль, резина). Заливка и удаление массы производится по специальной технологии. соплового аппарата, а б д.

Рис. 18. Поверхности секторов соплового аппарата, подлежащие обработке: а — выпуклые криволинейные поверхностиб — вогнутые криволинейные поверхностив — выпуклые конические поверхностиг — вогнутые конические поверхностид — плоские поверхности.

Рис. 19. Вид наладки модернизированного токарно-лобового станка на обработку шлифованием лопаток СА.

Данную технологию обработки можно охарактеризовать как круглое шлифование. Формообразование осуществляется без применения СОТС (смазывающе-охлаждающее технологическое средство). Традиционное круглое шлифование с СОТС жаропрочных материалов невозможно из-за появления шлифовочных трещин. Особенно склонны к возникновению шлифовочных трещин жаропрочные материалы марки ЧС. Формообразование торцевых диаметральных канавок сопловых лопаток осуществляется с предварительной прорезкой канавки отрезными кругами малого диаметра. Окончательное формирование канавок производится резцом.

Недостатками данной технологии являются:

— низкая производительность обработки;

— требуемая высокая квалификация рабочего;

— вредные условия труда по второму списку вредности;

— требуется изготовление крупногабаритной технологической оснастки на каждый тип лопатки (рис. 20);

— низкая точность обработки;

— трудоемкая переналадка на другой тип лопатки;

— грязные условия труда.

Рис. 20. Вид приспособления для установки заготовок.

Параллельно с технологией круглого шлифования блоков сопловых лопаток в колесе существует технология глубинного шлифования блоков на плоскошлифовальных станках Липецкого станкостроительного завода модели ЛШ-220 (рис. 21). При этом первые операции подготовки баз такие же, как и при шлифовании в колесе. Криволинейные поверхности шлифуются с применением способа круговой интерполяции.

Шлифование поверхностей блоков производится с настройкой станка на каждую поверхность сектора. При этом требуется применение специальной оснастки на каждый элемент обрабатываемого блока (рабочее приспособление, правящий алмазный ролик).

Рис. 21. Вид станка ЛШ-220.

Применение станков для глубинного шлифования мод. ЛШ-220 обусловлено тем, что некоторые материалы, применяемые для изготовления блоков, склонны к образованию шлифовочных трещин при традиционном плоском и круглом шлифовании.

Недостатками данной технологии являются:

— существенное повышение трудоемкости по сравнению с обработкой в колесе за счет разбивки операции круглого шлифования на отдельные операции;

— применение большого количества рабочей оснастки;

— высокая трудоемкость наладочных работ.

Третьей и наиболее распространённой технологией обработки криволинейных поверхностей секторов СА является технология глубинного шлифования плоских и цилиндрических поверхностей, собранных в лопаточные колёса описанная в работе [66] (рис. 22).

Рис. 22. Технологическая схема обработки цилиндрических поверхностей: 1 — заготовка, 2 — круглый стол (планшайба) — 3 — шлифовальный круг.

При использовании данной технологии заготовка сопловой лопатки 1, устанавливается на круглый стол 2, имеющий возможность вращения вокруг оси Ъ (ось С). На стол 2 может устанавливаться как одна заготовка, так и несколько. Число одновременно обрабатываемых деталей может достигать количества лопаток, необходимого для полного набора цилиндрического колеса соплового аппарата той или иной ступени. Обработка ведётся профильным инструментом, имеющим возможность перемещаться вдоль осей X и Ъ, а также поворачиваться вокруг оси У (ось В). Профиль круга создаётся правящим инструментом, а наличие осей X, Ъ и В, С позволяет одновременно осуществлять шлифование цилиндрических и плоских поверхностей деталей с регулируемой угловой скоростью (подачей) детали и подачей круга на врезание.

Такая технологическая схема предусматривает достаточно сложное взаимное перемещение не только детали с инструментом, но и инструмента, относительно правящего ролика.

Фотография рабочей зоны карусельно-шлифовального станка фирмы Bertie, представленная на рис. 23, демонстрирует взаимное расположение круглого стола с планшайбой и деталями, правящего устройства и шлифовального шпинделя. Данное оборудование позволяет вести обработку цилиндрических и плоских поверхностей деталей, в частности лопаток турбины, размещая их на круглом столе станка, на том или ином диаметре обработки. При этом детали могут обрабатываться как по отдельности, так и в комплекте (рис. 24).

Рис. 23. Фотография зоны обработки карусельно-шлифовального станка фирмы.

Bertie.

Данное оборудование имеет возможность вести обработку в автоматическом цикле, то есть без вмешательства оператора непосредственно в процесс шлифования. Это обеспечивается за счёт того, что: шлифовальный.

Рис. 24. Фотография планшайбы карусельно-шлифовального станка с установленным на нём приспособлением для установки лопаток круг имеет возможность поворота вокруг оси В на тот или иной угол (на фотографии шлифовальный шпиндель развернут на 45) — режущая поверхность круга формируется в процессе автоматической правки алмазным роликом или их набором (на фотографии правящее устройство расположено на станине о станка и развёрнуто на такой же угол, как и шлифовальный круг, т. е. 45) — система ЧПУ станка обеспечивает одновременно управление не менее чем тремя координатами.

Использование данной технологии позволяет повысить производительность обработки, исключить возможность появления на шлифуемой поверхности прижогов и трещин, обеспечить требуемые геометрические размеры шлифуемых поверхностей с высокой точностью.

Вместе с тем схема обработки деталей в комплекте, путём их набора в технологические колёса имеет ряд недостатков. Они заключаются в том, что количество приспособлений должно соответствовать количеству наименований деталей, входящих в двигатель. При этом установочные элементы каждого приспособления отличаются от элементов соседнего в пределах допуска на изготовление. Соответственно, набранные в колесо лопатки уже на момент обработки имеют погрешность, связанную с погрешностью установки. В этом случае, сформированная при изготовлении цилиндрическая поверхность, при сборке уже никогда не повторится, т. е. возникает «редан» на проточной части турбины и соплового аппарата.

Данный дефект может быть устранен при обработке единичных лопаток или блоков с использованием технологии многокоординатного глубинного шлифования.

Следует отметить, что все три технологии обработки криволинейных поверхностей были реализованы на предприятии ОАО «НПО «Сатурн». Первые две на оборудовании, соответствующем описанию. Третья на станке Липецкого шлифовального завода модели ЛШ-278.

1.4 Технологические возможности оборудования для многокоординатной обработки секторов соплового аппарата методом глубинного шлифования.

В настоящее время осуществляется внедрение многокоординатного глубинного шлифования для обработки криволинейных поверхностей секторов СА. Применение данного метода позволяет исключить недостатки традиционных технологий описанных в разделе 1.3.

Реализация метода МГШ осуществляется за счет применения глобусного стола в оборудовании, предназначенном для традиционного глубинного шлифования [66, 68, 67]. Глобусный стол позволяет вращать деталь по двум дополнительным осям. В данном случае осуществляется обработка единичных секторов.

Преимуществом данной технологии является то, что формообразование поверхностей заготовки производится путем ее перемещения одновременно по четырем осям, а также первоначальное позиционирование еще по одной оси. В результате чего данная технология имеет следующие достоинства перед традиционной обработкой:

— для обработки одного типа деталей требуется одно приспособление;

— за одну установку детали обрабатывается сразу несколько «поверхностей в автоматическом режиме, согласно заданной программе;

— сравнительно простая переналадка на другой тип деталей;

— в случае возникновения геометрических отклонений или каких-либо других дефектов, вызванных шлифованием, бракуется только одна деталь, в отличии от традиционной обработки в колесе, когда бракованными становятся все детали, шлифуемые за одну установку.

На рис. 25 представлены технологические схемы обработки многокоординатного глубинного шлифования криволинейных поверхностей.

На мировом рынке станкостроения существует несколько фирм изготавливающих оборудование данного класса: «Станковендт», «Мае§ ег1е», «В1о]ш1», «ОапоЬа!:» и «НагсНг^е».

Фирмы «Станковендт», «Maegerle», «В1оИт», «ОапоЬаЪ) изготавливают станки, позволяющие обрабатывать рассматриваемые детали по схеме, представленной на рис. 26.

Совместное предприятие «Станковендт» входит в немецкую группу компаний «¥-епс11:». «Станковендт» успешно работает на мировом рынке более 20 лет и специализируется на производстве современных прецизионных шлифовальных станков с ЧПУ. «Станковендт» реализует шлифовальный и правящий инструмент на основе сверхтвердых материалов (алмаз и КНБ) для обработки металлов, твердых сплавов, керамики, стекла и т. д.

Фирма «Maegerle» производит шлифовальные системы высокой точности и производительности. Станки создаются на базе модульных компонентов по спецификациям заказчиков.

Шлифовальные станки фирмы «В1оЬт» эксплуатируются во всем мире, обеспечивая прецизионную и надёжную обработку. К ним относятся станки.

Рис. 25. Технологические схемы многокоординатного глубинного шлифования: 1 -обработка криволинейной выпуклой поверхности- 2 — обработка криволинейной вогнутой поверхности- 3 — обработка плоской поверхности- 4 — обработка конической выпуклой поверхности- 5 — обработка конической вогнутой поверхности;

Рис. 26. Схема обработки сектора соплового аппарата для единичного производства, станки для мелкосерийного производства, например, для общего машиностроения, инструментального производства, а также специальные производственные станки, созданные по определенным заказчиками техническим заданиям, которые комплектуются необходимой оснасткой.

Danobat" (Испания) является частью промышленного сектора корпоративного кооператива «Mondragon» («Mondragon Corporation Cooperativa») и широко известна в Европе как производитель высококачественных станков и производственных линий для машиностроительных предприятий, автомобилестроительных и авиакосмических компаний.

Для улучшения качества шлифуемой поверхности в многокоординатных обрабатывающих центрах применяют механизмы постоянной правки круга, а в некоторых моделях, таких как MGC 130.65 фирмы «Maegerle», применяется два механизма правки работающих как в непрерывном, так и в циклическом режиме, благодаря которым режущая поверхность круга поддерживается в работоспособном состоянии в течении всего процесса резания.

На рис. 27 представлен станок МвС 130.65 фирмы «Maegerle», в табл. 1 приведены его технические характеристики. Станок имеет 5 одновременно управляемых координат: продольное перемещение по оси X, вертикальное перемещение шпинделя по оси У, поперечное перемещение по оси Ъ, поворот стола вокруг оси X и вращение стола относительно оси Ъ. Взаимное перемещение относительно данных осей делает возможным получение сложных траекторий движения заготовки.

Рис. 27. Maegerle 1УЮС 130.65.