автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Интенсификация процесса протягивания труднообрабатываемых материалов

У} ,

? -¿2 аЬ. ¡1. ЬЪЛ0)' ОСбо/о

Открытое акционерное общество "Пермские моторы", Пермский государственный технический университет

На правах рукописи УДК 621.919.01

Макаров Владимир Федорович

г-

Интенсификация процесса протягивания труднообрабатываемых материалов

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

' $ ; ..ду ■

Диссертация

соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

член-корреспондент АПК РФ, доктор технических наук, профессор Иванов В.А.

Пермь 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

СТР.

стр. 5

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ВВЕДЕНИЕ

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования

7

4Ъ

1.1. Основные требования к процессам изготовления замковых соединений деталей ГТД из труднообрабатываемых материалов Л 5

1.2. Сравнительный анализ применяемых процессов обработки замковых соединении 21

1.3. Анализ режимов резания, параметров режущих инструментов, рекомендуемых и применяемых при протягивании труднообрабатываемых материалов 26

1.4. Анализ методов интенсификации процессов резания при протягивании 35

1.5. Основные выводы

1.6. Цель и задачи исследования 4 О

2. Разработка основных методик исследований, выбор оборудования и инструмента для интенсификации процессов резания при протягивании труднообрабатываемых материалов 42

2.1. Анализ структурно-фазового состава, прочностных и пластических свойств исследуемых сталей и сплавов 4 2

2.2. Выбор и модернизация оборудования, выбор инструментов для исследования процесса резания при протягивании 57

2.3. Разработка методик и устройств для исследования износостойкости протяжек, температурно-силовых и адгезионных исследований процесса резания 55"

2.4. Выбор методик и аппаратуры для исследования основных параметров качества деталей ГТД 71

3. Исследование физических явлений процесса резания при протягивании труднообрабатываемых материалов 73

3.1. Исследование влияния температуры испытания на прочностные и пластические свойства жаропрочных сталей и сплавов "73

3.2. Исследование влияния режимов резания на интенсивность износа зубьев протяжек и среднюю температуру резания (контакта) 83

СТР.

3.3. Разработка экспериментальных моделей расчета оптимальных значений скорости резания, температуры резания и интенсивности износа протяжек для каждой группы обрабатываемых жаропрочных сталей и сплавов /00

3.4. Разработка аналитических (компьютерных) методов расчета температуры резания, тепловых полей и оптимальных режимов резания при протягивании У М

3.5. Определение основных закономерностей влияния режимов резания и геометрии протяжек на изменение сил резания и процесс стружкообразования при протягивании т

3.6. Основные выводы 153

4. Влияние режимов протягивания и геометрии протяжек на основные параметры качества обработки и напряженное состояние детали в процессе резания 167

4.1. Исследование влияния режимов резания на характер изменения технологических напряжений в обрабатываемых деталях

4.2. Исследование влияния режимов резания и геометрии протяжек на

А 7?

изменение шероховатости протянутой поверхности '

4.3. Влияние режимов протягивания на глубину и степень наклепа 187

4.4. Влияние режимов протягивания на формирование остаточных

196

напряжении 'л ^

4.5. Исследование микроструктуры и химсостава поверхностного слоя деталей, обработанных на различных скоростях резания 207

4.6. Влияние режимов резания на усталостную прочность протянутых деталей 218

4.7. Основные выводы 228

5. Исследование и разработка методов обеспечения интенсификации процесса протягивания деталей ГТД из труднообрабатываемых материалов 232

5.1. Уравновешенная схема резания при протягивании замков лопаток ГТД 233

5.2. Исследование и разработка метода ускоренного определения оптимальной скорости резания при протягивании по параметрам резания, найденным при точении 241

5.3. Метод ускоренного определения оптимальных параметров процесса протягивания на основе физического моделирования адгезионных явлений при резании 247

5.4. Разработка и исследование методов повышения хрупкой прочности твердосплавных протяжек при интенсификации процесса протягивания 251

сгр. 284-

5.5. Разработка способа скоростного протягивания деталей ГТД твердосплавными многосекционными протяжками

5.6. Статистическая оценка надежности работы протяжек при интенсификации процесса протягивания

5.7. Основные выводы 299

2 93

6. Сравнительный технико-экономический анализ эффективности интенсификации различных процессов резания жаропрочных сплавов на никелевой основе 3 О 2

6.1. Интенсификация процесса скоростного протягивания елочных замков турбинных лопаток ЪОА

6.2. Интенсификация процесса фасонного фрезерования елочных замков турбинных лопаток 312

6.3. Интенсификация процесса глубинного шлифования елочных замков турбинных лопаток

6.4. Сравнительная оценка показателей производительности, качества и себестоимости при интенсификации различных процессов резания замков турбинных лопаток 345"

6.5. Основные выводы Ъ 55

7. Практические результаты интенсификации процесса протягивания при обработке деталей ГТД из различных труднообрабатываемых материалов Ъ5д

7.1. Технические рекомендации по выбору режимов резания и геометрии

протяжек при внедрении процессов скоростного протягивания деталей из

жаропрочных сплавов 359

12. Технико-экономические показатели эффективности использования

технических рекомендаций при скоростном протягивании замковых

соединений дисков и лопаток турбин и компрессоров 3 66

7.3. Примеры эффективного внедрения интенсификации протягивания на

предприятиях моторостроения Зв8

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 3 91

ЛИТЕРАТУРА 394

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 74

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А -сумма переменных элементов себестоимости операции, зависящих от скорости резания; Ак -ударная вязкость; а - толщина среза; в - ширина среза;

с -ширина контакта стружки с передней поверхностью резца; с1 -диаметр отпечатка;

Е -термоэлектродвижущая сила, возникающая в паре резец-деталь, модуль упругости;

Ь -глубина наклепа;

Из -общая или текущая ширина фаски износа по задней поверхности; Идзо -относительный износ зуба протяжки, соответствующий У0; Ьозл -относительный линейный износ зуба протяжки;

Изн -ширина фаски износа по задней поверхности в конце периода начального износа;

Ьзк -ширина фаски износа задней поверхности в конце периода износа;

ЖС -микротвердость;

I -интенсивность износа;

Ь,1 -конечная или текущая длина пути резания;

Р2,РУ- осевая и радиальная составляющие усилия резания;

Н -степень наклепа;

Ла -среднее арифметическое отклонение профиля обработанной поверхности; Яг -высота микронеровностей профиля обработанной поверхности; Птах -наибольшая высота микронеровностей профиля; Бг -подача на зуб протяжки; Т- период стойкости протяжки;

-машинное время обработки одной детали; У0 -оптимальная скорость резания, соответствующая наименьшей интенсивности износа инструмента; а -задний угол; у -передний угол,

у'-упрочняющая интерметаллидная фаза;

5 -относительное удлинение после разрыва; \|/ -относительное сужение после разрыва; £ -усадка стружки;

0О -средняя температура резания(контакта), соответствующая оптимальной скорости резания;

X -угол наклона главной режущей кромки; ств- предел прочности на растяжение; Ср -предел пропорциональности; с8 -предел текучести;

ат -тангенциальные остаточные напряжения;

о_1 -предел усталости;

тп -прочность адгезионной связи на срез;

т0 -прочность адгезионной связи на срез при отсутствии нормального давления.

ВВЕДЕНИЕ

На рубеже XXI века обработка металлов резанием остается основным способом изготовления деталей машин и механизмов в силу таких своих существенных преимуществ перед другими видами обработки, как универсальность, малая энергоемкость, простота эксплуатации, технологическая маневренность, высокая производительность, возможность обработки деталей любой формы и размеров с высокой точностью и качеством, обеспечивающим стабильные эксплуатационные параметры машин.

За прошедшее столетие в области науки о резании металлов выполнено огромное количество научных исследований, установлены основные закономерности процесса резания, разработаны высокоэффективные инструментальные материалы, создано необходимое оборудование. Дальнейшее развитие науки о резании связано с созданием новых высокоэффективных конкурентоспособных на внутреннем и внешнем рынках машин и механизмов, имеющих более высокие эксплуатационные параметры. Сегодня это наиболее актуально для такого особого класса сложнейших машин, к которому относятся газотурбинные двигатели (ГТД) для авиации, наземных энергетических и газоперекачивающих установок.

В процессе эксплуатации большинство деталей и узлов газотурбинных двигателей испытывает высокие температурные нагрузки от газового потока, значительные статические динамические .вибрационные нагрузки, влияние агрессивных сред и др. Поэтому для обеспечения высокой прочности, долговечности деталей ГТД применяют специальные сложнолегированные высокопрочные стали и сплавы, достаточно сложные прецизионные конструктивные формы деталей, особенно их соединений, что, в свою очередь, требует разработки и применения сложных и трудоёмких технологических процессов, выработки научно обоснованных технологических рекомендаций по выбору оптимальных режимов резания, геометрии режущего инструмента, создания специального оборудования.

Производство новых современных конкурентоспособных ГТД, работающих в более высоких термодинамических условиях, предусматривает применение новых еще более труднообрабатываемых материалов, что значительно уве-

личивает затраты производства на механическую обработку деталей резанием. Трудоемкость обработки резанием при производстве деталей ГТД составляет более 60% от общей трудоемкости. В процессе механической обработки деталей ГТД помимо видоизменения формы и размеров заготовки происходит формирование особых свойств поверхностного слоя, его макро и микроструктуры, что непосредственным образом влияет на усталостную прочность, долговечность деталей и, в конечном счёте, на надёжность и ресурс работы газотурбинных двигателей.

Окончательное формирование основных параметров качества поверхностного слоя и усталостной прочности деталей ГТД происходит на чистовых финишных операциях механической обработки, к которым относятся и процессы протягивания. Протягивание применяется на большинстве деталей ГТД как наиболее производительный, а часто как единственно возможный процесс обработки. Трудоемкость операций протягивания составляет на отдельных деталях 40-50% от общей трудоемкости механической обработки.

В настоящей работе в качестве объекта исследований выбраны наиболее массовые и тяжелонагруженные в условиях эксплуатации сложнофасонные весьма точные замковые соединения дисков и лопаток турбин и компрессоров ГТД из различных жаропрочных сталей и сплавов.

Протягиванием производится обработка профиля замков лопаток и пазов в дисках компрессоров в форме "ласточкина хвоста", а также пазов в дисках турбин в форме " ёлочки". Для обработки " ёлочных" замков лопаток турбин применяется помимо протягивания и процессы фрезерования и глубинного шлифования. Общее число профильных замковых поверхностей, которые обрабатываются протягиванием, составляет более 7000 в одном ГТД. Очень часто операции протягивания, занимающие до 50% трудоемкости механической обработки, являются узким местом при производстве ГТД из за весьма низкой стойкости протяжек, недостаточной производительности, неудовлетворительного качества протянутой поверхности, особенно при освоении обработки новых труднообрабатываемых материалов. Так, например, при протягивании 73 елочных пазов в дисках турбин из жаропрочного сплава ЭП741НП протяжками из быстрорежущей стали Р18 на скорости резания 1,5-2 м/мин общее время обработки составляет более 24 часов. При этом стойкость протяжек составляет не более одного диска. Традиционно протягивание деталей ГТД производится на

весьма низких скоростях резания с применением протяжек из быстрорежущих сталей. Сравнение режимов протягивания с режимами точения и фрезерования одних и тех же марок сталей и сплавов показывает, что применяемые скорости резания при точении и фрезеровании значительно выше (20-150 м/мин), чем при протягивании (1,5-4,0 м/мин).Кроме того, при точении и фрезеровании применяются твердосплавные режущие инструменты. Применение повышенных скоростей протягивания и твердосплавных протяжек сдерживается из-за отсутствия научных и практических основ интенсификации процесса резания, отсутствия научно обоснованных, проверенных на практике технических рекомендаций и методик применения скоростного протягивания, отсутствия серийного производства скоростных протяжных станков, отсутствия опыта и существование определенного психологического барьера у ряда специалистов из-за опасности деформации обрабатываемых деталей или обрыва и поломки протяжек при скоростном протягивании, значительной трудоёмкости изготовления фасонных твердосплавных протяжек, их быстрым выходом из строя из-за выкрашивания и сколов. Отсутствуют и методы ускоренного определения оптимальных режимов протягивания, этого исключительно сложного и трудоемкого для экспериментальных исследований процесса резания. Перенесение же основных закономерностей процесса резания, полученных для других методов обработки, например, для процесса продольного точения, невозможно в силу специфики непрерывного резания при точении и прерывистого резания при протягивании. В связи с этим научное и практическое всестороннее рассмотрение и решение проблемы повышения производительности, качества обработки, стойкости инструмента, создание нового высокопроизводительного оборудования для протягивания деталей из труднообрабатываемых материалов является чрезвычайно необходимой актуальной задачей.

Настоящая работа проведена с целью повышения эффективности процесса протягивания на основе разработки, исследования и внедрения научных основ и практических методов применения скоростных режимов резания, оптимальных конструкций твердосплавных многосекционных протяжек, их рациональной эксплуатации, модернизации протяжных станков на повышенные скорости резания. Проведено комплексное экспериментальное теоретическое исследование процесса протягивания деталей из 30 марок различных жаропрочных сталей и сплавов в широком диапазоне скоростей резания от 0,025-1,0 м/с

(1,5-60 м/мин) с применением как быстрорежущих, так и твердосплавных протяжек на модернизированных и скоростных протяжных станках.

На основании выполненных исследований решена важная научно-техническая проблема интенсификации процесса протягивания путем использования разработанного в диссертации метода скоростного протягивания, оптимизации его параметров и инструмента. Впервые доказано, что применительно к условиям прерывистой многолезвийной обработки протягиванием жаропрочных сталей и сплавов, имеющей ярко выраженную статистическую природу, существует такое термомеханическое состояние зоны резания каждого режущего элемента протяжки, характеризуемое некоторой температурой резания, называемой в дальнейшем оптимальной, при которой наблюдаются наиболее благоприятные условия износа инструмента и формирования качества обработанной поверхности. Разработаны обобщенные аналитические и экспериментальные математические модели расчета оптимальных режимов резания при протягивании гаммы труднообрабатываемых сталей и сплавов, применяемых в производстве газотурбинных двигателей.

Выведенные экспериментальные и аналитические зависимости оптимальных значений температуры и скорости резания позволили разработать новый способ протягивания деталей многосекционными твердосплавными протяжками на оптимальных режимах резания, при котором в момент входа в работу чистовых секций протяжек не уменьшают, как прежде, скорость резания, а, наоборот, ее увеличивают до оптимальных значений.

Приведены результаты исследований характера износа и динамики хрупкого разрушения твердосплавных протяжек. На основе физического моделирования адгезионного взаимодействия между инструментальным и обрабатываемым материалами выяснена природа и характер адгезионного износа протяжек, разработан ускоренный метод определения значений оптимальных величин температуры резания и интенсивности износа протяжек без проведения трудоемких сгойкостных испытаний на протяжных станках.

Разработан ускоренный способ назначения оптимальной скорости протягивания на основе зависимостей, полученных при точении того же обрабатываемого матер�