автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности протягивания деталей ГТД на станках с ЧПУ путем управления скоростью резания многосекционной протяжки

На правах рукописи

Туктамышев Виталий Рафаилович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОТЯГИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД НА СТАНКАХ С ЧПУ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ РЕЗАНИЯ МНОГОСЕКЦИОННОЙ ПРОТЯЖКИ

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск-2009

003488275

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский государственный технический

университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Макаров Владимир Федорович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Волков Дмитрий Иванович

кандидат технических наук Клейменов Валерий Васильевич

Ведущая организация ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь

Защита состоится 23 декабря 2009 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в ГОУ ВПО Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А.Соловьева по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославская область, ул. Пушкина, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Рыбинской государственной авиационной технологической академии имении П. А. Соловьева

Автореферат разослан «20» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Конюхов Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности производства в машиностроении на современном этапе развитая техники- это, прежде всего, увеличение производительности и уменьшение себестоимости при сохранении или повышении качества, надежности и юнку-ренгоспособносш изделия. Особенно это важно при производстве ответственных деталей газотурбинных двигателей (ПД). Выполнение этих требований во многом зависят от конкретных технологических процессов изготовления деталей, определяющих показатели эффективности изготовления изделий в целом. К таким определяющим технологическим процессам относятся процессы протягивания сложнофасонных поверхностей дисков и лопаток ГТД из различных труднообрабатываемых сталей и сплавов. Часто это единственно возможный способ обработки, например, при протягивании елочных пазов в дисках турбин, изготавливаемых из жаропрочных сплавов на никелевой и железо-никелевой основах. Протягивание таких деталей с использованием быстрорежущих протяжек на низких скоростях резания (не более 2,0 Mtoffl) не удовлетворяет требованиям производства по производительности обработки, по стойкости протяжек, по стабильности качества обработанной поверхности.

Известно, что применение при протягивании твердосплавных протяжек для обработки деталей ГТД позволяет повысить скорости резания до 25-30 м/мин и более. Но их внедрение сдерживается недостаточной изученностью термодинамических явлений процесса скоростною протягивания. Прежде всего, это касается изучения измененения температуры резания при протягивании деталей ГТД многосекционными блочными протяжками общей длиной до 7-8 метров, числом секций от 5 до 12 и с общим числом режущих зубьев до 400 зубьев и более. При этом по ходу движения такой протяжки конструктивно предусмотрено уменьшение подачи на черновых, получисговых и чистовых режуших зубьях от секции к секции соответственно от 0,12 мм/зуб до 0,005 мм/зуб, т.е. в 24 раза Помимо технологических трудностей изготовления твердосплавных протяжек, сдерживающим фактором их рационального применения является сложность управления скоростью протягивания по ходу протяжки на применяемых до послед него времеш протяжных станках с гидроприводом.

Известно так же, что наиболее эффективные условия резания могут бьпь обеспечены при протягивании на огпимальной скорости резания с обеспечением в зоне резания оптимальной температуры резания. Однако отсутствуют исследования по изменению температуры резания на зубьях многосекционных протяжек с изменяющейся величиной подачи на зубьях. С появлением в последнее время протяжных станков с ЧПУ возникла возможность установки и годдфжания оптимальных условий резания путем переключения скорости резания до оптимального значения на основе предварительного моделирования и расчета термодинамических процессов взаимодействия многтаубого инструмента с обрабатываемой заготовкой с учетом изменения подачи на зубьях протяжки. Однако до сих пор исследования процесса протягивания мношзубыми протяжками ни теоретически, ни практически не проводились.

Поэтому изучение термодинамических явлений в зоне резания, установление влияния режимов резания на распределение температуры резания на контактных поверхностях каждого зуба многазубой протяжки и разработка методов управления скоростью резания многосёк-ционной протяжки является в научном и практическом плане весьма актуальной задачей для современного машиностроительного производства.

Цель диссертационной работы. Повышение эффективности процесса протягивания деталей ГТД га труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ путем программируемого управления величиной оптимальной скорости резания многосекционной протяжки- с учетом изменения подачи на режущих зубьях по ходу движения протяжки.

Дня выполнения поставленной цели необходимо решшь следующие задачи:

1. Провеет системный анализ научных исследований и существующего опыта технологического обеспечения ошималшой обработки резанием труднообрабатываемых маг териалов многозубым инструментом на станках с ЧПУ. Рассмотреть физические основы оптимального резания при прошивании труднообрабатываемых материалов и обосновал, возможность скоростного резания с применением многозубых инструментов и переключения скорости резания на станках ЧПУ с учетом изменения подачи на зуб по ходу движения протяжки;

2. Разработать методическое обеспечение проведения экспериментальных и теоретических исследований процесса протягивания многозубым инструментом; '

3. Разработать математическую модель, методику и алгоршм расчета распределения температуры в зоне резания каждого зуба многозубой протяжки, находящегося в контакте с заготовкой, в зависимости от изменения скорости резания, подачи на зуб, свойств обрабатываемого и инструментального материала, количества одновременно режущих зубьев. Установил. основные закономерности распределения температуры резания в зоне резания каэвдого зуба многозубой протяжки;

4. Провести экспериментальные исследования характера изменения температуры резания в процессе протягивания многозубой протяжкой на различных режимах резания;

5. Разработать техпроцесс изготсшления комплекта многозубых многосекционных твердосплавных прошеек для прошивания елочных пазов в дисках турбины для станка с ЧПУфирмы«НОБШАШ>;

6. Разработать методику и алгоршм программируемого управления скоростью резания для протяжного станка с ЧПУ с учетом изменения величины подачи на зубьях многосекционной протяжки и обеспечения оптимальных условий резания каждым зубом протяжки;

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались основные положения теории резания металлов, технологии машиностроения, теории пластической деформации материалов, теории численных методов и методов математическою моделирования.

В экспериментальных исследованиях использованы как ставдзршые методики и уст-ройсгва для проведения температурных, силовых и стойкосшьк экспериментов, так и специально разработанные. Применялась вычислительная техника с использованием стандартных и специальных программ расчета термодинамических зависимостей температуры контакта и температурных полей в зоне резания.

Достоверность положений и выводов исследований подтвдзждалась проверкой адекватности полученных расчетных зависимостей в реальном процессе резания при лабораторных и производственных испытаниях.

На защиту выносятся:

Результаты моделирования, методика и алгоршм расчета температуры в зоне резания многозубой протяжкой

Закономерности изменения кошшаных температур в зоне взаимодействия детали и многозубой протяжки в зависимости от тешюфизических свойств инструментального и обрабатываемого материала, скорости резания и подачи на зуб протяжки

Способ скоростного программируемого протягивания с увеличением скорости резания до оптимальной величины в зависимости от степени снижения подачи на зуб по ходу движения многозубой многосешио! шой протяжки.

Научная новизна работы состоит в разработке и теоретическом обосновании термодинамической модели управляемого процесса резания при скоростном протягивании много-зубым инструментом с переменной подачей на зубьях при условии обеспечения отимальной температуры в зоне контакта каждого режущего зуба с заготовкой, в частности:

1. Разработана математическая модель расчета распределения температуры в зоне резания каждого зуба многозубой протяжки, находящегося в контакте с заготовкой, с использованием CAE системы DEFORM 2D и установлены закономерности изменения температуры резания при различных технологических условиях протягивания жаропрочных никелевых сплавов твердосплавными протяжками.

2. Установлена независимость прироста температуры резания AT на каждом последующем режущем зубе многозубой протяжки от количества зубьев, одновременно участвующих в резании заготовки при данной подаче на зубьях протяжки. При этом выявлено незначительное отклонения температуры резания в пределах ±5-7% от температуры первого зуба на всех последующих зубьях mi югоз>бой протяжки для даш юй под ачи.

3. Доказана возможность обеспечения постоянной отимальной температуры резания Т0 д ля данной пары инструментального и обрабатываемого материала на каждом зубе многозубой многосекционной протяжки путем запрограммированного переключения скорости резания до оптимального значения V0 при изменении подачи на зубьях протяжки по хо^у движения.

4. Разработан новый способ скоростного протягивания с возрастающей скоростью резания по всему рабочему ходу многосекционной протяжки до оптимального значения в зависимости от степени снижения подачи на зуб на каждой секции протяжки. Получено положительное решение о выдачи патента РФ на заявку №2008141836/02.

Практическая ценность результатов работы заключается в разработке технических рекомендаций по применению нового способа скоростного протягивания путем увеличения скорости резания до отимальной величины в зависимости от степени снижения подачи на зуб для различных секций протяжки по ходу движения. В результате применения нового способа протягивания деталей ГТД многократно увеличивается производительность процесса, повышается стойкость инструмента, стабильно обеспечивается требуемое качество поверхностного слоя деталей. Разработаны методика управления, алгоритмы и программы для управления скоростью резания протяжного станка с ЧПУ фирмы Hoffmann (Германия).

Реализация результатов исследований. Разработанные технические рекомендации по применению нового скоростного способа протягивания пфеданы на ОАО «ПМЗ» для внедрения в производство на горизонтально протяжном станке фирмы Hoffimnn (Германия) с длиной хода 8 метров и максимальной скоростью 25 м/мин. Разработаны конструкции и техпроцесс изготовления твердосплавных многозубых многосекционных протяжек для протягивания елочных пазов в дисках турбин авиационного двигателя ПС90А. Проведены производственные испытания нового способа с переключением скорости резания при протягивании замков лопаток компрессора и пазов в дисках турбин и компрессора из жаропрочных сплавов многосекц ионным протяжками из ВК8 в диапазоне скоростей резания 14-32 м/мин на модернизированных протяжных станках мод. 7А540 на ОАО «ПМЗ». Результаты исследований используются в учебном процессе курсов «Технология машиностроении» и «Резание материалов» для студентов ПГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международен научно-технической конференции «Оптимизация процессов резания, разработка и эксплуатация мехатронных станочных систем», посвященной 90-летию профессора

А Д Макарова (Уфа, 2009), на Всероссийской научно-технической конференция «Повышение эффекшвносш механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009), на международном молодежном форуме «Будущее авиации за молодой Россией» (Москва, МАКС-2009), на международой научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Донецк, 2008), на международой научно-технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Ростов-на-Дону, 2008), на международой научно-технической конференции «Перспективные технологии и материалы» (Пермь, 2008), на международой научно-технической конференции посвященной 75-лепио ГИУА в Ереване «Технологии и техника автоматизации» (Ереван, 2008), на Всероссийской конференция молодых ученых и спец.-ов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2008), на международой научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008), на международой научно-технической конференции «Технологические и теплофизические аспекты управления качеством в машиностроении)) («Резниковские чтения», Тольяпи, 2008), на международой научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентноспособносш» (Брянск, 2008), на международой научно-технической конференции «Физические и компьютерные технологии» (Харьков, 2007), на международой научно-технической конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» (Варна, Болгария, 2007), на международой научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы в машиностроении» (Пермь, 2007), на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии-2007, к 90 летию ПА. Соловьева» (Пермь, 2007) и других.

В полном объеме работа заслушана и рекомендована к защите на совместном заседании кафедр «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» Пермского Государственного Технического Университета, а также на кафедре «Резание Металлов* Станки и Инструменты» Рыбинской Государственной Авиационно - технологической Академии

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендован5!ых ВАК

Структура и объем диссертации. Д иссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописною текста, содержит 54 рисунка, 16 таблиц, 3 8 формул, списка использованных источников из 69 наименований, В приложений. Общий объем работы 141 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи работы.

В первой главе произведен анализ опубликованных работ по тематике диссертации. По результатам проведенного анализа можно сделать вывод, что на современном этапе развития в процессе протягивания труднообрабатываемых жаропрочных сплавов существует несколько основных проблем: низкая производительность, низкая стойкость протяжек и, как следствие, нестабильное качество поверхностного слоя получаемых изделий. Все эти проблемы в первую очередь связаны с низкими скоростями резания и нерациональными инструментальными материалами, применяемыми при протягивании. В двигателестроении скорость протягивания, например, «ёлочных» пазов в дисках турбин из жаропрочных никелевых сплавов при традиционной технологии на черновых секциях не превышает 2 м/мин, а на чистовых

секциях обычно снижается до 1 м/мин. В настоящее время детали ГТД протягиваются прс-имущесшеннонапризонгально-протяжных станках типа7А540 с длиной блока протяжек 1,6 м и с диапазоном рабочих скоростей станка от 0,5 до 6 м/мин.

По вопросам совершенствования протягивания на низких скоростях резания (1.5-15 м/мин) имеется достаточно большое количество исследований отечественных и зарубежных ученых. В работах Каширина АН, Щеголева AB., Грановского Г.И., Маргулиса ДК, Горец-кой 3 Д., Кацева ПГ., Опища Г. и Шупе М., Кузнецова AM. и других исследователей приводятся рекомендации по протягиванию деталей из углеродистых, легированных сталей и чугу-нов быстрорежущими протяжками. Причем чаще всего рекомендуется при входе чистовых секций протяжекс подачей на зуб 0,02-0,005 мм/зуб снизить скорость резания до 1-1,5 м/мин.

Вопросам исследования протягивания труднообрабатываемых материалов с применением быстрорежущих и твердосплавных протяжек посвящены работы: Балюры ПГ., Вишнякова AJB., Пронкина Н.Ф., Замшева 0. Ф., Чернышева В.В., Ведаедовского В А, Миларини ГТ. и других.

Протягивание различных групп материалов на повышенных скоростях резания исследовалось в работах: Макарова В.Ф., Мануйлова JLK., Жигалко КК, Ковзеля НЛ, Сини-цина BJi, Балашкова В Л, Дворова ЮЛ, Лхнина М.Н, Мейера К, Хоффмана К и других автороа Чаще всего здесь рекомендуется постоянная скорость резания независимо от изменения подачи на зубьях многосекционных протяжек. Кроме того, большинство исследований выполнено в лабораторных условиях с применением одно и двузубых моделированных протяжек.

Анализ опыта протягивания деталей газотурбинных двигателей на предприятиях отрасли показал, что вышеперечисленные проблемы протягивания характерны как для отечественного, так и зарубежного двигателестроения.

Наиболее комплексное исследование процесса скоростного протягивания с применением твердосплавных протяжек проведено в работах проф. Макарова В.Ф. и его ученикоа Объектом исследования были замки лопаток компрессора ГТД из жаропрочных сталей и сплавоа Скоростное протягивание замков лопаток основывается на теории оптимального резания. Установлено, что для каждого обрабатываемого материала минимум на кривых интенсивности износа зубьев протяжки hmri=i(V) для разных значений подъема на зуб Sz наблюдается три различных оптимальных скоростях резания, которым соответствует одна и та же оптимальная температура контакта, совпадающая с температурой провала пластичности данного материала при механических испытаниях. Например, при протягивании жаропрочного сплава ЭИ787ВД протяжками из твердою сплава ВК8 с подачами 0,02; 0,06; 0,1 мм'зуб минимумы интенсивности износа протяжек ho» имеют место при скоростях соответственно 30; 22; 15 мАлгн при одной и той же опгимальной температуре резания То=700°С, соответствующей минимальному значению относительного удлинения 8 и относительного сужения у. Кроме того при температуре 700 °С наблюдается резкое на (30-40%) падение предела прочности ста

Однако все эта теоретические и экспериментальные исследования физических закономерностей процесса скоростного протягивания проведены применительно к резанию одно-зубыми или двузубыми протяжками. В то же время, в производственных условиях применяются многосекционные мношзубые протяжки, общей длиной до 7-8 метров, состоящие из 512 секций, с общим числом режущих зубьев до 400 и более. Причем, по ходу движения такой многосекционной многозубой протяжки подача на зубьях постепенно снижается с 0.12-мм/зуб на черновых секциях до 0.02-0.005 мм/зуб на чистовых секциях. Для обеспечения оптимальных условий резания на каждом зубе такой многозубой протяжки необходимо обеспечить ре-

заше с оптимальной скоростью для данной подачи на зуб. Решению данной проблемы до сих пор практически не уделялось внимание. Появление протяжных станков с ЧПУ типа Hoffinann с большой длиной хода и с большим диапазоном скоростей резания позволяет решить данную проблему путем программируемого управления скоростью резания.

Проведен анализ существующих методов математического моделирования тепловых процессов при лезвийной обработке и применяемых на практике методов управления скоростью резания на станках с ЧПУ. Сделаны выводы, сформулирована цель и поставлены задачи работы.

Во второй главе представлена разработанная автором методология проведения теоретических и экспериментальных исследований. Представлены методы математического моделирования теплофизичееких явлений в зоне резания и методики экспериментальных исследований, оборудование, средства измерения и контроля изучаемых процессов изменения температуры и усилий резания. Для теоретических исследований использовались такие методы математического моделирования, как аналитический метод и метод конечных элементов. Экспериментальная часть работы выполнена в лабораторных условиях на специальной установке скоростного протягивания модели УСП-1 с диапазоном скоростей от 1-60 м/мин и на модернизированном вертикально - протяжном станке мод.7Б74 в диапазоне скоростей резания до 30 м/мин. Для проведения испытаний были подготовлены образцы из наиболее труднообрабатываемых жаропрочных сплавов на никелевой и железо-никелевой основе ЭИ787ВД ЭИ437БУВД ЭИ698ВД и ЭГ1109ВД прошедоих серийную термообработку. В производственных условиях исследования проводились на модернизированных станках мод. 7А540 в диапазоне скоростей 2-30 м/мин с подачей серийной СОЖ 3-5% ВЕЛС-1 и на горизонтально протяжном станке с ЧПУ мод. RAWM16/8500 фирмы Hoffinann (Германия) на образцах и конкретных деталях ГТД

Для выбора наиболее рациональной марки инструментального материала проведены сравнительные испытания различных марок твердых сплавов на прочность, адгезионные свойства, интенсивность износа Учитывались дефицитность, степень освоения и технологичность марок. По этим критериям выбран твердый сплав ВК8. Для лабораторных экспериментов изготовлены протяжки (Рис. 1) с различным числом зубьев (одно, двух, трех, дешизубые) с механическим креплением пластин из твердого сплава ВК8. Для производственных исследований спроекшрованы и изготовлены многозубые многосекционные протяжки с напайны-ми пластинами из твердого сплава ВК8 (Рис.2).

Исследования средней температуры контакта многозубой протяжки проводили с помощью естественной термопары и искуссгвеных термопар, встроенных в твердосплавные

Рис. 1 №om3y6bieriponmi(MicMt^iima<uvi<penwtuii\<pe3tcy-ира пюшда йчя.ча&умторных ucaiedoeaiuii и протянутый образец

Рис. 2 Протюкхи с накшиьши пжрдостасшьши mucmwmtu BUS для >ратодств0Ш1х испытаний

пластинки. Тарирование естественной термопары производилось с помощью специальной та-рировочной головш по температурам плавления легкоплавких материалов - олова, свища и сплава Вуда. - .

В лабораторных и производственных условиях проводили исследования атияния условий резания на тангенциальную составляющую силы резания с помощью специально разработанных динамометров. Тарировка динамометров проводилась при растяжении и сжатии на испытательном прессе Ачслера

Третья глава посвящена теоретическому исследованию теилонапряженносм процесса резания при скоростном прошивании многозубым шсгрументом с переменной подачей на зубьях и обеспечением оптимальной темпершуры в зоне контакта каждого режущего зуба с заготовкой. Дтя этою выполнено математическое моделирование распределения температуры резания в технологической системе, с использованием двух методов математического моделирования.

Общий подход к моделированию процесса многозубого скоростного протягивания, используемый в данной работе, представлен на схеме (РисЗ). Источник тепла принимался полосовым, двюкущимся в течение конечного промежутка времени.

На первом этапе применялся аналитический метод расчета приращения температуры ДТ резания на каждом зубе протяжки с использованием известных зависимостей проф. Резникова А. Н для многозубых инструментов, адаптированных для процесса протягивания. В результате выведены следующие основные зависимости, использо-

РисЗ. Схема процесса реянш миогоъхюй щютжкой (.щт) и реапчоокетягюпетишзпюпшц (тс^&жлжтахтмискогомоде.пфо-(атирскчепюпжпшькжтикютжвтыхтытерсщр

ванные для теплофизических расчетов температуры контакта в зоне резания каждого зуба протяжки: . • ..

. _ О „4а

Яя '

4(1.0-1г)

Т..

= 27.6

дг = ття ■ --1к-\)+ (-4к -

+ ... + Ш-4кГ-

К * безразмерный шаг между зубьями протяжки,

где: с^-плотность теплового потока, О,-тепловая мощность, поступающая в изделие, Ь-ширина резания, л - теплопроводность материала детали, со - коэффициент температуропроводности материала детали, Т^- максимальная температура на режущем клине, ДТ - приращение температуры т-го режущего клина относительно первого режущего клина В результате расчета получены значения грфатцения температуры ДТ на 5 зубьях протяжки. Установлено, что прирост температуры на режущих зубьях протяжки незначителен, максимальный прирост наблюдается на переходе с первого зуба на второй, но и он не превышает 6%. Установлено, что данный аналитический метод исследования не позволяет поучить полные данные о полях распределения температур в режущем клине, в стружке в процессе протягивания и о характере течения процесса в зависимости от числа зубьев находящихся одновременно в контакте с заготовкой. Для получения этих данных был использован фугой известный метод численного математического моделирования - метод конечных элементов.

Задача теплопроводности формулируется следующим образом:

найти квазистащонарное распределение температур в компонентах технологической

системы из радения дафференциалальнога уравнения: ++ у-Т(х'у) ■

дх1

Эу'

дх

■ 0

три следующих начальных и граничных условиях: Т(х,у,0) = 20С°-,

где 1г,1у - направляющие косинусы вектора внешней нормали к граничной поверхности, - граничная поверхность, на шторой происходит теплообмен с коэффициентом теплообмена а,, - граничная поверхность, на которой задн тепловой поток плотности ц,.

Решение уравнения с граничными условиями можно заменить задачей поиска минимума функционала

" 1 " 1 1=0 5.

v

Расчет величины прироста температуры проюдился в программном комплексе БЕГОНМ-20. ВЕГОКМ-2В — это сложная расчетная система, основанная на методе конечных элементов. Интеллектуальный генератор сетей способен автоматически построить и оптимизировать конечноэлеменшую сетку, перестраивая её, в случае необходимости, в ходе расчета: генератор сетки использует промежуточные результаты расчета и строит более густую сетку в областях, где требуется высокая точность решения. Кроме того, есть возможность самостоятельно настраивать плотность сежи, распределение ее элементов по сечению и параметры ее автоматического перестроения. Все начальные данные и результаты расчета находятся в одном файле. В данном пакете используется методология жесткости, которая связывает силы и перемещения с жесткостью системы:

Ки ~ /,

где К- матрица жесткости системы; и - узловое перемещение;/- вектор силы перемещения.

Вычисление в анализе теплопередачи производится следующим образом:

СГ + кТ =

где С - матрица теплоемкости; матрица теплопроводности;

() - вектор тепловой нагрузки; Г- вектор узловых температур;

Г - вектор градиентов температуры по времени.

При расчете для упрощения предполагалось, что заготовка находится в плосконапряженном состоянии, поэтому моделирование процесса осуществлялось при помощи двумерной задачи. Моделирование теплообразования при протягивании велось методом перемещений, заложенном в инструментальные средства пакета программ.

Инструмент (четырехзубая протяжка) моделировался абсолютно твердым телом с передним углом у = -5°, задним углом а = 5°, толщина среза или подача составляла Бг = 0.06 мм/зуб, а скорость резания V = 22 м/мин. За начальную температуру модели и среды принята температура 20 С0. В расчете использовались тегшофизические свойства применяемого в качестве обрабатываемого материала жаропрочного сшива ЭИ787ВД при моделировании методом конечных элементов теплопроводность и теплоемкость принимались как функции от температуры. Длина обрабатываемой поверхности заготовки составляла 45 мм, шаг между зубьями =12 мм. Таким образом, в контакте с заготовкой могло находиться одновременно три-четыре зуба протяжки. Учитывалось теплообразование на контактных поверхностях зубьев протяжки 112 и в плоскости скалывания 1ц. Средний износ протяжек го задней поверхности принимался Ь)=0Д5 мм.

Характерная картина распределения температуры в зоне резания каждого режущего зуба многозубой протяжки, полученная в результате расчета методом МКЭ для сплава ЭИ787ВД представлена на рис.4. Результаты расчета контактной температуры резания на 10 режущих зубьях, полученные данным методом для десятизубой протяжки, представлены на рис. 5.

На рис.4 максимальная температура в зоне контакта стружки с передней поверхностью зуба протяжки составляет 700°С. В плоскости сдвига температура 650°С. На задней поверхности температура 550-600 °С. В обработанной поверхности на глубине 0.5 мм температура падает с максимальной 600 С0 до 70-110 С°. Аналогичная картина тепловых полей повторяется и при прошивании последующими зубьями многозубой протяжки. Из анализа графиков на рис. 5 ввдно, что наибольшую величину имеет температура на первом зубе (порядка 720°С), на следующем зубе температура падает до 700°С и далее стабилизируется на этом оптимальном уровне для данной скорости и подачи. По условиям расчета одновременно в процессе резания участвуют 4 зуба протяжки.

Рис.4 Характерное паж рсщхделтя температуры в процессе протягивания стана ЭИ787 ш ВК8 протяжкой (У=22 м/мин, &=0.06.\а v'зубi)

Выданную предположение, что стабилизация температуры резания на всех режущих зубьях в пределах 5-7% объясняется наличием большого шага между зубьями (12-20 мм) по сравнению с незначительной величиной подачи на зуб (0,1-0,01 мм/зуб). Это приводит к незначительному приросту температуры вследствие интенсивного охлаждения обработанной поверхности меяод зубьями протяжки. В результате этих расчетов сделан вывод о возможности обеспечения постоянной оптимальной температуры резания на каждой секц ии протяжки с соответствующей подачей на зуб путем программируемого управления скоростью резания многозубой протяжкой на станке ЧПУ.

т. с-

750

700 g5d 600 650 600 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

1 1 1 I I

V пт 700 С0

г

1

1 \ \ 1

\ \ 1 L \ \

V \ V \ \ \ \ V Vj к V

V ч \ \ \ \ к \ \

!

J

J _ J

о- ъ- й-

& *?> о> &

й- <У

A^VV...

rip Л-У

У У t5 -Г й- Ч- V ъ-

Рис5 Результаты расчета изменения коюгжтюй татерсщры в процессе щхтягшанш става ЭШ87дестшубойгропюют1аВК8(У=22.у/мин, &=0.0бм\1/з$)

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния режимов резания на изменение температуры контакта и сил резания в процессе протягивания многозубой протяжкой.

Проведены экспериментальные исследований температуры резания при протягивании образцов из сплава ЭИ787ВД 10-ти зубой протяжкой с пластинами из сплава ВК8 на скоростях резания от 2 до 28 м/мин с подачей на зуб 0,02 мм&уб. Результаты исследований, представленные на рис. 6, показали, что отклонения средней температуры контакта (резания) на отдельных зубьях многозубой протяжки по сравнению с температурой однозубой протяжкой незначительные и составляет примерно 5-10%. Оптимальная температура резания 700 С° для скорости резания 28 м(мин и под ачи 0,02 мм/зуб обеспечивается практически постоянной на всех 10 зубьях протяжки. Это подтверждает сделанные в предыдущей главе вывода да математическому моделированию и математическому расчету температуры резания о незначительном отклонении значений температуры резания на режущих зубьях протяжки и позволяет разработать новый метод скоростного протягивания с управлением по скорости резания для каждой конкретной подачи на зуб.

Проведены производственные исследования изменения силы резания при протягивании образцов и деталей ГТД многозубой протяжкой на скорости 2 и 26 м/мин с подачей 0,02 мм/зуб. В результате установлено снижение силы резания на 30 % с увеличением скорости резания. Это позволяет использовать данные по силе резания или мощности для разработки способа адаптивного управления скоросгао резания на протяжном станке с ЧПУ.

3 4 5 6 7 номер режущего зуба

Рис.6 Резутжтлэтщмментс№1огоис£яедоштпш^ж ЭШ№Щ10чтзу5сйгротю1скишВК8 д

В пятой главе рассмотрены вопросы технологического обеспечения и реализации нового метода скоростного протягивания, проведен анализ применяемых протяжек ю быстрорежущих сталей доя прошивания пазов в дисках турбин, используемых на ОАО «ПМЗ» и предложена конструкция и технология изготовления твердосплавных протяжек с напайными пластинами.

Новый метод протягивания деталей на протяжных станках с ЧПУ предполагает обработку деталей с установлением оптимальной скорости протягивания для каждой секции протяжки в зависимости от конструктивно заложенной подачи на зубьях и с обеспечением оптимальной температуры резания на каждом зубе протяжки.

Для определения огтшмальной скорости резания в цеховых условиях разработано программное обеспечение, в кагором учитываются все условия реза-

эи787вд эл109вд эи437бувд!

Эг, мм/зуб

Рис.7Грарик зависимости оптимальной скоростирезания от подст гри скоростном гротягиваши для э/саропрочных деформируемых спювов ЭИ787Щ ЭИ437БУВД ЭП109Щ

Ния. На рис.7 представлены результаты расчета оптимальной скорости резания от подачи на зуб и марки обрабатываемого сплава, полученные с помощью разработанной программы.

Разработана новая конструкция многосекционной протяжки с напайными твердосплавными пластинами. Предложена типовая технология производства твердосплавных протяжек. Конструкция многосекционной протяжки предполагает постепенное по ходу движения секций протяжки уменьшение подачи на зуб с 0,1 мм/зуб до 0,02 мм/зуб. Для постепенного увеличения скорости резания и для уменьшения резкого скачка скорости при переходе с одной секции протяжки на другую с различными подачами в каждой секции предусмотрены

переходные зубья (2-3) с уменьшающейся подачей до величины подачи на следующей секции (рис.8).

новый способ скоростного протягивания

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

номер секции протяжки

Рис.8 Изменение скоростирезания и подачи в процессе протттния новыми твердосплавными протяжками

Для реализации нового метода протягивания елочных пазов в дасках турбин на станке с ЧПУ разработана управляющая программа с преднабором скорости резания для каждой секици протяжки.

Проведены производственные испытания нового способа с переключением скорости резания при протягивании замков лопаток компрессора и пазов в дисках турбин и компрессора из жаропрочных сплавов многосекционными протяжками из ВК8 в ОАО «ПМЗ» в диапазоне скоростей резания 14-32 м/мин.

Разработаны и переданы на ОАО «ПМЗ» технические рекомендации по внедрению нового метода скоростного протягивания на новом горизонтально протяжном станке с ЧПУ мод. RAWM16/8500 фирмы Hoflmam (Германия) при прошивании пазов в дисках турбин двигателя ПС90А В результате проведенных расчетов установлено, что при внедрении нового метода протягивания условная годовая экономия составит 25,4 млн. руб в год, производительность обработки увеличится в 9 раз, стойкость протяжек повысится в 14 раз, более стабильно будет обеспечиваться требуемое качество обработки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований разработана и теоретически обоснована термодинамическая модель управляемого процесса резания при скоростном протягивании многозубым инструментом с переменной подачей на зубьях с обеспечением оптимальной температуры в зоне контакта каждого режущего зуба с заготовкой.

2. Разработана математическая модель расчета распределения температуры в зоне резания каждого зуба многозубой протяжки, находящегося в контакте с заготовкой, с исполню-

вашем CAE системы DEFORM 2D и установлены закономерности изменения температуры резания при различных технологических условиях прошивания жаропрочных никелевых сплавов твердосплавными протяжками, учитывающие тепловыделения от деформации материала и теплообмен в тепловом тракте деталь-инструменг-стружка

3. Установлена независимость прироста температуры резания ДТ на каждом последующем режущем зубе многозубой протяжки от количества зубьев, одновременно участвующих в резании заготовки при данной подаче на зубьях протяжки. При этом выявлено незначительное отклонения температуры резания в пределах ¿5-7% от температуры первого зуба на всех последующих зубьях многозубой протяжки для данной подачи '

4. Доказана возможность обеспечения постоянной оптимальной температуры резания То для данной пары инструментального и обрабатываемого материала на каждом зубе многозубой многосекционной протяжки путем запрограммированного переключения скорости резания до оптимального значения Vo при изменении подачи на зубьях протяжки по ходу движения.

5. Разработан новый способ скоростного протягивания с возрастающей скоростью резания по всему рабочему ходу многосекционной протяжки до огпимального значения в зависимости от степени снижения подачи на зуб на каждой секции протяжки. Получено пояо-жигельное решение о выдачи патента РФ на заявку №2008141836/02.

6. Подтверждено, что экспериментальные и теоретические исследования и получение зависимости, выполненные ранее для одаозубой и двузубой протяжек, с достаточной точностью мотуг бьпь использованы и при протягивании многозубыми многосекционными протяжками

7. Предложен новый тип конструкции твердосплавной многосекционной прсггяжки с равномерным изменением подъема на зуб и технология ее изготовления.

Разработано программное обеспечение для определения опгамальных скоростей протягивания в цеховых условиях предприятия.

8. Установлено, что с изменением скорости резания и подачи на з^ьях наблюдается соответствующее изменение силы резания на всех секциях многосекционной пртяжки. Это позволяет разработать в дальнейшем методику адаптивного управления на станке с ЧПУ скоростью резания на каждой секции протяжки в зависимости от подачи и степени износа зубьев протяжки.

9. В результате внедрения нового метода скоростного протягивания, например, при протягивании елочных пазов в дисках турбин на станке с ЧПУ фирмы Hofimanri условная го-' довая экономия составит более 25,4 млн. руб в год уве дичится прошвддттдастьобрабсшш в 9 раз, стойкость протяжек повысится в 14 раз, более стабильно будет обеспечиваться требуемое качество обработки.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Тукгамышев, В. Р., Физические основы интенсификации процесса протягивания труднообрабатываемых материалов (Текст]/Макаров В.Ф., Токарев Д.И., Тукгамышев BP. // Технология машиностроения. -2009. -j\r°2.-C.l8-20.

2. Тукгамышев, В. Р., Управление величиной оптимальной скорости резания при прошивании деталей [Текст] / Макаров В.Ф, Тукгамышев ВРУ/ Вестник УГАТУ - 2009. .-т С.3640

3. Туктамышев, В. Р., Статистическая оценка надежности протяжек [Текст] / Макаров В.Ф., Туктамышев ВР., ЭА Нуриева, СВ. Кобелев, В.С. Кобелев II Вестник машиностроения-2009. - С.80-82

4. Туктамышев, В. Р., Моделирование тепловых процессов при протягивании труднообрабатываемых материалов [Текст] / Макаров В.Ф., Токарев ДИ, Туктамышев В.Р // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии - Орел: ОрелГТУ, 2008 г. -С.80-82

5. Туктамышев, В. Р., Управление оптимальной скоростью резания на различных секциях протяжек при протягивании деталей из труднообрабатываемых материалов [Текст] / Макаров В.Ф., Туктамышев В.Р // Материалы Все-российск. НТК «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» 1часть, Рыбинск, РГАТА, 2009г. - Рыбинск, РГАТА,2009 - С. 48-53

6. Туктамышев, В. Р, Новый метод скоростного прошивания деталей ГТД на протяжных станках ЧПУ с большой длиной хода [Текст] / Макаров В.Ф., Токарев ДИ, Тук-тамышгв ВР. // Машиностроение и техносфера XXI века: сб. тр. междунар. науч-техн. конф. -Донецк: ДГГУ2008Г.-С244-247

7. Туктамышев, В. Р., Обеспечение оптимальной температуры резания при протягивании деталей ГТД на протяжных станках ЧПУ с большой длиной хода [Текст] / Макаров В.Ф, Токарев ДИ, Туктамышев ВР. // Теплофизика и технологические аспект управления качеством в машиностроении: сб. тр. междунар. науч-техн. конф. - Тольяти 2008 г. - С.309-312

8. Туктамышев, В. Р., Расчет контактной температуры резания и теплового поля при протягивании на различных скоростях резания [Текст] / Макаров В.Ф., Туктамышев ВР. // Перспективные технологии и материалы: сб. тр. междунар. науч-техн. конф. - г. Пермь, 2008 г.-С. 458-463.

9. Туктамышев, В. Р., Особенности управление скоростью резания при протягивании елочных пазов в дисках турбин на станке с ЧПУ [Текст] / Макаров В.Ф., Токарев ДИ., Туктамышев ВР. // Современные проблемы машиностроения: сб. тр. междунар. науч-техн. конф.- Томск, 2008 г-С.613-617

10. Туктамышев, В. Рч Расчет огаимальных скоростей резания при протягивании жаропрочных сталей и сплавов [Текст] / Макаров В.Ф., Туктамышев ВР. I/ Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки : сб. тр. междунар. науч-техн. конф.-Росгов-на-Дону 2008 г.-Ч. 2. -С. 163-169

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 20.11.2009. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 1. Тираж 100. Заказ 109.

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьева (РГАТА) Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53 Отпечатано в множительной лаборатории РГАТА 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1. Конструктивные и технологические требования к изготовлению деталей газотурбинных двигателей, обрабатываемых протягиванием

1.2. Анализ научных и производственных проблем возникающих при протягивании пазов в дисках турбин

1.3. Анализ опыта предприятий и научных работ по решению проблем протягивания жаропрочных сплавов

1.4. Анализ теории оптимального резания при протягивании и возможности ее применения к протягиванию многосекционными протяжками с переключением скоростей

1.4.1. Физические основы оптимального резания

1.4.2. Определение влияния скорости резания на температуру резания и интенсивность износа протяжки

1.5. Анализ методов управления скоростью резания с использованием системы ЧПУ металлорежущего станка

1.6. Анализ методов математического моделирования технологических процессов

1.7. Выводы

1.8. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ПРОТЯГИВАНИЯ МНОГОЗУБЫМИ ПРОТЯЖКАМИ

2.1. Разработка общей методологии теоретических исследований распределения температуры резания многозубым лезвийным инструментом

2.2. Общая методология проведения экспериментальных исследований

2.3 Выводы

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА

ПРОТЯГИВАНИЯ МНОГОЗУБЫМИ ПРОТЯЖКАМИ

3.1. Моделирование методом А.Н.Резникова

3.2. Моделирование процесса протягивания методом сеток

3.3. Моделирование влияния режимов резания на температуру при протягивании многозубым инструментом с использованием программы Deform

3.4. Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЛОЖЕННОГО СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОТЯГИВАНИЯ МНОГОСЕКЦИОННОЙ ПРОТЯЖКОЙ

4.1. Исследование влияния скорости протягивания на зуб на температуру резания каждого зуба многозубой протяжки

4.2. Исследование влияние скорости протягивания на зуб на силу резания каждого зуба многозубой протяжки

4.3. Выводы

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА НОВОГО МЕТОДА СКОРОСТНОГО ПРОТЯГИВАНИЯ ПАЗОВ ДИСКОВ ТУРБИН МНОГОСЕКЦИОННЫМИ ПРОТЯЖКАМИ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНОЙ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ НА СТАНКЕ ФИРМЫ ХОФФМАНН С ЧПУ

5.1. Анализ конструкций применяемых протяжек

5.2. Разработка конструкции и техпроцесса изготовления многосекционной твердосплавной протяжки с напайными пластинами

5.3. Технические характеристики станка Hoffmann, обеспечивающие возможность переключения скоростей с помощью ЧПУ

5.4. Расчет оптимальных скоростей протягивания для каждой секции протяжки

5.5. Разработка алгоритма управляющей программы для станка Hoffmann

5.6. Эффективность предложенного метода 131 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 133 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 135 ПРИЛОЖЕНИЕ А

Актуальность работы. Повышение эффективности производства в машиностроении на современном этапе развития техники — это, прежде всего увеличение производительности и уменьшение себестоимости, при сохранении или повышении качества, надежности и конкурентоспособности изделия. Особенно это важно при производстве ответственных деталей весьма сложных и наукоемких газотурбинных двигателей (ГТД), Все эти критерии во многом зависят от конкретных технологических процессов изготовления отдельных деталей, определяющих показатели эффективности изготовления изделий в целом. К таким определяющим технологическим процессам, относятся процессы протягивания сложнофасонных поверхностей деталей из различных труднообрабатываемых сталей и сплавов. Часто это единственно возможный способ обработки, например, при протягивании елочных пазов в дисках турбин, изготавливаемых из жаропрочных сплавов на никелевой и железо-никелевой основах. Протягивание таких деталей с использованием быстрорежущих протяжек на низких скоростях резания не более 2,0-4,0 м/мин не удовлетворяет требованиям производства ни по производительности обработки, ни по стойкости протяжек, ни по стабильности качества получаемой поверхности.

Известно, что внедрение в производство твердосплавных протяжек для обработки деталей ГТД позволяет повысить скорости резания до 25-30 м/мин. Но их внедрение сдерживается недостаточной изученностью термодинамических явлений процесса скоростного протягивания. Прежде всего, это касается изучения физических явлений при протягивании многосекционными блочными протяжками общей длиной до 7-8 метров и с общим числом режущих зубьев до 400. При этом по ходу движения такой протяжки конструктивно предусмотрено уменьшение подачи на режущих зубьях от секции к секции от 0,12 мм до 0,005 мм, т.е. в 24 раза. Помимо технологических трудностей изготовления твердосплавных протяжек, сдерживающим фактором их рационального применения является сложность управления скоростью протягивания по ходу протяжки на применяемых до последнего времени протяжных станках с гидроприводом.

Известно так же, что наиболее эффективные условия резания могут быть обеспечены при протягивании на оптимальной скорости резания с обеспечением в зоне резания оптимальной температуры резания. Однако отсутствуют исследования по изменению температуры резания на зубьях многосекционных протяжек с изменяющейся величиной подачи на зубьях протяжки. С появлением в последнее время протяжных станков с ЧПУ возникла возможность установки и поддержания оптимальных условий резания путем переключения скорости резания до оптимального значения на основе предварительного моделирования и расчета термодинамических процессов взаимодействия многозубого инструмента с обрабатываемой заготовкой с учетом изменения подачи на зубьях протяжки. Однако до сих пор такие исследования ни теоретически, ни практически при протягивании не проводились.

Поэтому изучение термодинамических явлений в зоне резания, установление влияния режимов резания на распределение температуры резания на контактных поверхностях каждого зуба многозубой протяжки и разработка методов управления скоростью резания многосекционной протяжки является в научном и практическом плане весьма актуальной задачей для современного машиностроительного производства.

Цель диссертационной работы. Повышение эффективности процесса протягивания деталей ГТД из труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ путем программируемого увеличения скорости резания многосекционной протяжкой с учетом уменьшения подачи на режущих зубьях по ходу движения протяжки.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести системный анализ научных исследований и существующего опыта технологического обеспечения оптимальной обработки резанием труднообрабатываемых материалов многозубым инструментом на станках с ЧПУ;

2. Рассмотреть физические основы оптимального резания при протягивании труднообрабатываемых материалов и обосновать возможность скоростного резания с применением многозубых инструментов и переключения скорости резания на станках ЧПУ с учетом изменения подачи на зуб по ходу движения протяжки;

3. Разработать методическое обеспечение проведения экспериментальных и теоретических исследований процесса протягивания многозубым инструментом;

4. Разработать математическую модель, методику и алгоритм рассчета распределения температуры в зоне резания каждого зуба многозубой протяжки находящегося в контакте с заготовкой, в зависимости от изменения скорости резания, подачи на зуб, свойств обрабатываемого и инструментального материала, количества одновременно режущих зубьев и геометрии протяжки;

5. Установить основные закономерности распределения температуры резания в зоне резания зуба многозубой протяжкой;

6. Провести экспериментальные исследования характера изменения температуры резания в процессе протягивания многозубой протяжкой на различных режимах резания;

7. Провести проектирование и разработать техпроцесс изготовления комплекта многозубых многосекционных твердосплавных протяжек для протягивания елочных пазов в дисках турбины станка с ЧПУ фирмы «HOFFMANN»;

8. Разработать методику и алгоритм программируемого управления скоростью резания для протяжного станка ЧПУ с учетом изменения величины подачи на зубьях многосекционной протяжки и обеспечение оптимальных условий резания;

9. Произвести испытание нового метода протягивания в производственных условиях и оценить экономическую целесообразность применения нового метода протягивания

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались основные положения теории резания металлов, технологии машиностроения, теплофизики технологических процессов, теории пластической деформации металлов, теории приближенных численных методов и методов математического моделирования.

В экспериментальных исследованиях использованы как стандартные методики и устройства для проведения температурных, силовых и стойкостных экспериментов, так и специально разработанные. Применялась вычислительная техника с использованием стандартных и специальных программ расчета термодинамических зависимостей температуры контакта и температурных полей в зоне резания.

Достоверность положений и выводов исследований подтверждалась проверкой адекватности полученных расчетных зависимостей в реальном процессе резания при производственных испытаниях.

На защиту выносятся:

1. Результаты моделирования методика и алгоритм расчета температуры в зоне резания многозубой протяжкой и детали

2. Закономерности изменения контактных температур в зоне взаимодействия детали и многозубой протяжки в зависимости от теплофизических свойств инструментального и обрабатываемого материала, скорости резания и подачи на зуб протяжки

3. Способ скоростного программируемого протягивания с увеличением скорости резания, в зависимости от степени снижения подачи на зуб по ходу движения многозубой многосекционной протяжки.

Научная новизна работы состоит в разработке и теоретическом обосновании термодинамической модели управляемого процесса резания при скоростном протягивании многозубым инструментом с переменной подачей на зубьях при обеспечении оптимальной температуры в зоне контакта каждого режущего зуба с заготовкой, в частности:

1. Разработана математическая модель, методика и алгоритм расчета распределения температуры в зоне резания каждого зуба многозубой протяжки находящегося в контакте с заготовкой в зависимости от изменения скорости резания, подачи на зуб, свойств обрабатываемого и инструментального материала, количества одновременно режущих зубьев и геометрии протяжки

2. Установлена относительная независимость прироста температуры резания AT на каждом последующем режущем зубе многозубой протяжки от количества зубьев, одновременно участвующих в резании заготовки при данной подаче на зубьях протяжки

3. Установлен факт незначительного отклонения температуры резания Ттах в пределах ±5-7% от температуры Ттах первого зуба на всех последующих зубьях многозубой протяжки для данной подачи на зубьях протяжки

4. На основе математического моделирования МКЭ в программе DEFORM установлены закономерности изменения температуры резания при различных технологических условиях протягивания жаропрочных никелевых сплавов твердосплавными протяжками

5. Доказана возможность обеспечения постоянной оптимальной температуры резания Т0 для данной пары инструментального и обрабатываемого материала на каждом зубе многозубой многосекционной протяжки путем запрограммированного переключения скорости резания до оптимального значения V0 при изменении подачи на зубьях протяжки по ходу движения

6. Разработан новый способа протягивания с возрастающей скоростью резания по всему рабочему ходу протяжки, в зависимости от степени снижения подачи на зуб. Получено решение о выдачи патента РФ на заявку №2008141836/02.

Практическая ценность результатов работы заключается в разработке технических рекомендаций по применению нового способа скоростного протягивания, путем увеличения скорости резания до оптимальной величины в зависимости от степени снижения подачи на зуб для различных секций протяжки по ходу движения. В результате применения нового способа протягивания деталей ГТД значительно увеличивается производительность процесса, уменьшается износ инструмента, улучшается и стабилизируется качество обработанной поверхности. Разработаны математические модели процесса протягивания, методика управления, алгоритмы и программы для управления скоростью резания протяжного станка с ЧПУ фирмы Hoffmann (Германия). Получено решение о выдачи патента РФ на заявку №2008141836/02.

Реализация результатов исследований. Разработанные технические рекомендации по применению нового скоростного способа протягивания переданы на ОАО «ПМЗ» для внедрения в производство на горизонтально протяжном станке фирмы Hoffmann (Германия) с длиной хода 8 метров и максимальной скоростью 25 м/мин. Разработаны конструкции и техпроцесс изготовления твердосплавных многозубых многосекционных протяжек для протягивания елочных пазов в дисках турбин авиационного двигателя ПС90А. Проведены производственные испытания нового способа с переключением скорости резания при протягивании замков лопаток компрессора и пазов в дисках турбин и компрессора из жаропрочных сплавов многосекционным протяжками из ВК8 в ОАО «Пермский моторный завод» в диапазоне скоростей резания 14-32 м/мин. Результаты исследований используются в учебном процессе курсов «Технология машиностроении» и «Резание материалов» для студентов ПГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференция «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009), на Всероссийской научно-технической конференция молодых специалистов, посвященная 83-й годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2008), на международой научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Донецк, 2008), на международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Ростов-на-Дону, 2008), на международной научно-технической конференции Перспективные технологии и материалы (Пермь, 2008), на международной научно-технической конференции посвященной 75-летию ГИУА в Ереване «Технологии и техника автоматизации» (Ереван, 2008), на Всероссийской конференция молодых ученых и спец.-ов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2008), на международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008), на международной научно-технической конференции «Технологические и теплофизические аспекты управления качеством в машиностроении» («Резниковские чтения», Тольятти, 2008), на международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (Брянск, 2008), на международной научно-технической конференции «Физические и компьютерные технологии» (Харьков, 2007), на международной научно-технической конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» (Варна, 2007), на международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы в машиностроении» (Пермь,

2007), на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии-2007, к 90-летию П.А. Соловьева» (Пермь, 2007),

В полном объеме работа заслушана и рекомендована к защите на совместном заседании кафедр «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» Пермского государственного технического университета, а также на кафедре «Резание Металлов, Станки и Инструменты» Рыбинской государственной авиационной технической академии

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работы, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Общие выводы

По результатам данной работы на основе теоретических и экспериментальных исследований, компьютерного моделирования тепловых явлений в процессе скоростного протягивания многозубой твердосплавной протяжкой труднообрабатываемых сплавов можно сделать следующие выводы:

1. Разработана математическая модель процесса протягивания многозубой протяжкой учитывающая тепловыделения от деформации материала и теплообмен деталь-инструмент-стружка.

2. Доказано, что экспериментальные и теоретические исследования и полученные зависимости, выполненные ранее для однозубой и двузубой протяжек, с достаточной точностью могут быть использованы и при протягивании многозубыми многосекционными протяжками

3. Доказана возможность поддержания постоянной оптимальной температуры на каждом зубе многозубой многосекционной протяжки

4. Предложен новый способ протягивания на оптимальных скоростях для каждой секции протяжки — подъема на зуб.

5. Предложена новый тип конструкции протяжки с равномерным изменением подъема на зуб от большего к меньшему

6. Разработано программное обеспечение для ускоренного определения оптимальных скоростей протягивания

7. Проведен статистический анализ стойкости протяжек из быстрорежущих сталей и твердых сталей, подтвердивший повышенную стойкость твердосплавных протяжек

8. Установлено, что с уменьшением подачи на зубьях наблюдается соответствующее снижение сил резания на всех секциях многосекционной протяжки. Это позволяет адаптивно управлять скоростью резания на каждой секции протяжки с целью обеспечения в зоне резания оптимальной температуры, по мощности используя новый станок с ЧПУ.

9. Предложена методика адаптивного управления процесса протягивания по физическим параметрам процесса резания и разработана управляющая программа для протяжного станка с ЧПУ Hoffmann

10. В результате внедрения нового метода условная годовая экономия составит 25,4 млн. руб в год и увеличение производительности примерно в 9 раз.

1. Балакшина, Б.С. Адаптивное управление станками Текст. / Под общ. ред. Б.С. Балакшина. //- М.: Машиностроение, 1973. - 687 с.

2. Андреев, Г. С. Повышение производительности обработки деталей в условиях периодического прерывистого резания Текст. / Г. С. Андреев // Вестник машиностроения. 1978. - № 12. - С. 48 - 52.

3. Армарего, И. Д. Обработка металлов резанием Текст. / И. Д. Армарего, Р.Х.Браун. //- М.: Машиностроение. 1977. - 326 с.

4. Ашихмин В. Н. Протягивание Текст. / Ашихмин В. Н. // М.: Машиностроение, 1981. - 144 с.

5. Балюра, П. Г. Протягивание пазов Текст. / П.Г.Балюра. //- М.: Машиностроение. 1964. - 171 с.

6. Белашков, В. И. Скоростное протягивание титановых сплавов инструментом из быстрорежущей стали Текст. / В. И. Белашков // Станки и инструмент. 1972. - №5. - С. 38-39.

7. Бердников, Л. Н. Повышение периода стойкости инструмента при прерывистом резании Текст. / Л. Н. Бердников, Г. А. Шишов. // Инструмент и технологии. СПБ. - 1998. - С. 29.

8. Бетанели А.И. Хрупкая прочность режущей части инструмента Текст. / Бетанели А.И. // Тбилиси: Грузинский политехнический институт, 1969.- 320 с.

9. Бобров, В. Ф. Основы теории резания металлов Текст. / В.Ф. Бобров. //- М., «Машиностроение». 1975. - 344 с.

10. Ведмедовский, В. А. Чешуйчатость поверхности, обработанной протягиванием Текст. / В. А. Ведмедовский. // Вестник машиностроения. 1969. - № 10. - С. 67 - 69.

11. Вишняков, А. Е. Исследование сил и температуры резания при протягивании титановых сплавов Текст. / А. Е. Вишняков. // Исследование обрабатываемости жаропрочных и титановых сплавов: вып. 3.-Куйбышев.- 1976. С. 127-135.

12. Горелов В.А., Кушнер B.C. Термомеханический подход к исследованию процесса резания жаропрочных сплавов Текст. // Технология машиностроения, 2005. №9. - С. 30-33.

13. Горецкая, 3. Д. Протягивание с большими подачами Текст. / 3. Д. Горецкая. -М.: Машгиз. 1960. - 204 с.

14. Грановский, Г.И. Резание металлов Текст. / Грановский Г.И., Грановский В.Г. // М.: Высшая школа, -1985. -304 с.

15. Грановский Г.И. Кинематика резания Текст. / Грановский Г.И. // М.: Машгиз, 1948.-199 с.

16. Грановский Г. И. О методике измерения и критерии износа режущих инструментов Текст. / Грановский Г. И. // Вестник машиностроения, 1963.-№9.-с. 45-51.

17. Грановский, Г. И. Расчет и конструирование протяжек Текст. / Г. И. Грановский. М.: Машгиз. — 1947.

18. Гворов Ю.И. Выбор оптимальных условий протягивания и совершенствование конструкций протяжек Текст. / Гворов Ю.И. //

19. Высокопроизводительные конструкции режущего инструмента. М.: -1976. с 6-10.

20. Елисеев, Ю. С. Современные технологии как необходимое условие создания наукоемкой продукции. Текст. / Елисеев Ю. С., Крымов В. В. // Научно-технический журнал, 2003. №6 (30). - С. 7-10.

21. Жигалко, Н. И. Стойкость инструмента и чистота поверхности при протягивании жаропрочных сталей Текст. / Н. И. Жигалко, Н. И. Ковзель, М. В. Лепкович // Станки и инструмент. 1968. - № 3. - С. 2728.

22. Жигалко, Н. И. Скоростное протягивание Текст. / Н. И. Жигалко. -Мн: Выш. школа. 1982. - 152 с.

23. Залога В.А. О выборе уравнения состояния обрабатываемого материала для моделирования процесса резания методом конечных элементов. Текст. /В.А.Залога, Д.В.Криворучко, С.Н.Хвостик.// ВисникСумДУ.-2006.№12.

24. Замшев, О. Ф. О некоторых особенностях образования поверхностного слоя при протягивании Текст. / О. Ф. Замшев, Г. В. Горбенко // Резание и инструмент. — Харьков, 1979. № 27. - С. 79-85.

25. Зенкевич О.А. Метод конечных элементов в технике. Текст. / О.А.Зенкевич // Пер.с англ.-М.:Мир, 1975.-544с.

26. Зорев, Н. Н. Механика резания металлов Текст. / Н. Н. Зорев. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1956. - 368 с.

27. Кацев, П. Г. Протяжные работы Текст. / П. Г. Кацев. М.: Высшая школа, 1985.- 191с.

28. Каширин, А. И. Технология машиностроения Текст. / А. И. Каширин. М.: Машгиз, 1949.-630 с.

29. Макаров, А. Д. Износ и стойкость режущих инструментов Текст. / А. Д. Макаров. // М.: Машиностроение, 1966. 264 с.

30. Макаров, А. Д. Оптимизация процессов резания Текст. / А. Д. Макаров. // М.: Машиностроение, 1976. 278 с.

31. Макаров, В. Ф. Интенсификация процесса протягивания труднообрабатываемых материалов Текст.: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / В. Ф. Макаров. // М.: СТАНКИН, 1998.

32. Мухин, В. С. Оптимизация процесса механической обработки по физическим параметрам, качеству поверхностного слоя и долговечности деталей из жаропрочных сплавов Текст. / В. С. Мухин, А. Д. Макаров. -Уфа: УАИ, 1976.- 116 с.

33. Мануйлов, JL К. Исследование процесса наружного протягивания при повышенных режимах резания Текст.: Автореф. дис. канд. техн. наук / Л. К. Мануйлов. М., 1953.

34. Маргулис, Д. К. Скоростное протягивание закаленных деталей Текст. / Д. К. Маргулис, В. И. Синицын // Современная обработка металлов и неметаллов резанием. М.: МДНТП, 1973. - С. 125-129.

35. Маргулис Д.К. Протяжки переменного резания Текст. / Маргулис Д.К. // М.: Машгиз, -1962, -269 с.

36. Маргулис, Д. К. Оптимизация режимов резания при протягивании Текст. / Д. К. Маргулис, Е. С. Высоковский, JI. И. Шорина // Станки и инструмент. 1973. - № 4. - С. 35-36.

37. Маргулис, Д. К. Протяжной инструмент: расчет, конструкция, технология изготовления 2-е изд., перераб. и доп. Текст. / Д. К. Маргулис, М. М. Тверской, В. А. Вакурова и др.; ред. Д. К. Маргулис. // Челябинск: Металлургия, 1992. — 336 с.

38. Надеинская Е. П. Исследование износа режущего инструмента с помощью радиоактивных протонов Текст. / Надеинская Е. П. // М.: Машгиз, 1955. 135 с.

39. Опитц, Г. Протягивание на повышенных скоростях Текст. / Г. Опитц, М. Шутте // Режущие инструменты: Экспресс-информация. — М.: ВИНИТИ, 1967. №37. - 90 с.

40. Подураев, В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов Текст.: Учебн. пособ. для вузов / В. Н. Подураев. // М.: Высш. школа, 1974. -587 с.

41. Пронкин, Н. Ф. Протягивание протяжками из твердых сплавов Текст. / Н. Ф. Пронкин. II М.: Машиностроение, 1966. - 108 с.

42. Пронкин, Н. Ф. Протягивание труднообрабатываемых материалов Текст. / Н. Ф. Пронкин. // — М.: Машиностроение, 1978. 119 с.

43. Резников, А. Н. Теплофизика резания Текст. / А. Н. Резников. // — М.: Машиностроение, 1969. — 288 с.

44. Синопальников В.А. Температурное поле в режущем клине инструмента при прерывистой работе Текст. / Синопальников В.А. // Вестник машиностроения, -1980, № 4, -с. 44-47.

45. Силин, С. С. Метод подобия при резании металлов Текст. / С. С. Силин // -М.: Машиностроение, 1979. 152 с.

46. Соломенцев, Ю. М. Адаптивное управление технологическими процессами Текст. / Ю. М. Соломенцев, В. Г. Митрофанов, С. П. Протопопов. // М.: Машиностроение, 1980. — 536 с.

47. Соломенцев Ю.М. Моделирование точности при проектировании процессов механической обработки Текст. /Ю.М. Соломенцев, М.Г.Косов, В.Г.Митрофанов // М.:НИИмаш, 1984, 56с.

48. Фетисова З.М. Обработка резанием тугоплавких сплавов Текст. / Фетисова З.М. // М.: Машиностроение, -1966.-227 с.

49. Хает Г.Л. Прочность режущего инструмента Текст. / Хает Г.Л. // М.: Машиностроение, -1975, -168 с.

50. Харитонов В. Ротационные методы получения заготовок деталей ГТД Текст. / Харитонов В., Горелов В., Бурлаков И., Данилов В. // М.: Двигатель, 2002. - №5(23). - С. 8-12.

51. Чернышев, В. В. Протягивание и упрочнение хвостовиков лопаток газотурбинных двигателей Текст. / В. В. Чернышев, М. С. Рахмарова, Г. Б. Дейч. //-М: Машиностроение, 1971. -276 с.

52. Щеголев, А. Б. Конструирование протяжек Текст. / А. Б. Щеголев. // -М.: Машгиз, 1960. 352 с.

53. Яманин, А.И. Компьютерно-информационные технологии в двигателестроении Текст. /А.И.Яманин, Ю.В.Голубев, А.В.Жаров и др. // М.-.Машиностроение, 2005.-480 с.

54. Яхнин, М. Н. Влияние различных факторов на качество поверхности при протягивании сталей 2X13 и 1X11МФ Текст. / М. Н. Яхнин // Технология, организация и механизация механосборочного производства. М.: НИИФОРМТЯЖАШ, 1973. - № 12-73-16. - С. 8-11.

55. Behrens A. Wissen was ablauft.Finite-Elemente-Simulation gibt Einblick in HSC-Zerspanprozesse. Text. /А. Behrens, J.P.Wulfsberg // Das IndustrieMagazine-№46.2002.

56. Colding B. N. A short time method for the assessment of the machinability of flow carbon for machining steels Text. / Colding B. N. // Trans. ASME J. Eng. Int, 1995.-V. 1, №12. P. 239.

57. Fahrenwaldt, H. J. Priifung der Zerspanbarkeit bei metallischen Werkstoffen Text. / Fahrenwaldt, H. J., Fheilen U. //- Maschinenmarkt, 1976. Bd. 82, № 95.-P. 1838- 1841.

58. Hoffman Kurt. Le brochage rapide et sa signification. Text. / Hoffman Kurt. //Machine Modern, 1971, 65, № 753, p. 7-9.

59. Meyer K.F. Anwendungsgebiete und Grenzen der Raumens mit hohen Schnittgeschwindigkeiten. Text. / Meyer K.F. Shutte M. // Werkstatt-stechnik, 1966, 56, p. 240-246.

60. Mularini, G. Icarburisinterizzan nella brocciatura: quando e perche Text. / G. Mularini // Rivista demeccanica. 1979. - №30 (693). - P. 49-54

61. Opitz, H. Raumen mit erhohter schnittgesh-windigkeit. Forshungs ber Text. / H. Opitz, M. Shutte // Landes Nordrhein Westfalen. 1966. - №17 (82). -P. 77.

62. U.Umer Modeling the Effect of Tool Edge Preparation by ALE Method. Text. / U.Umer, L.J. Xie, X.B. Wang. // 9 Международная конференция по моделированию технологических процессов. 11-12 мая, 2006 год, Блед, Словения.

63. Т. Surmann. Geometric Model of the Surface Structure Resulting from the Dynamic Milling Process. Text. / T. Surmann. // 9 Международная конференция по моделированию технологических процессов. 11-12 мая, 2006 год, Блед, Словения.

64. Anke Stoll Hybrid methods for analyzing burr formation in 2D-orthogonal cutting. Text. / Anke Stoll, Jurgen Leopold, Reimund Neugebauer. // 9 Международная конференция по моделированию технологических процессов. 11-12 мая, 2006 год, Блед, Словения.