автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности токарной обработки криволинейных поверхностей дисков и кольцевых деталей ГТД из жаропрочных сплавов за счет применения инструмента из режущей керамики

На правах рукописи

Тарасов Сергей Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДИСКОВ И КОЛЬЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ИЗ РЕЖУЩЕЙ КЕРАМИКИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск-2013

7 НОЯ 2013

005536926

005536926

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования: «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» на кафедре «Резание материалов, станки и инструменты имени С.С. Силина»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Волков Дмитрий Иванович Официальные оппоненты:

Михайлов Станислав Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Костромской государственный технологический университет»;

Украженко Константин Адамович, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославский государственный технологический университет».

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет».

Защита состоится 27 ноября 2013 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.210.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования: «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» по адресу: 152934, Ярославская область, г. Рыбинск, ул. Пушкина 53, главный корпус РГАТУ, ауд. 237.

Автореферат разослан 25 октября 2013 года.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Поиск технологических решений, позволяющих совместить высокое качество и высокую производительность в производстве деталей газотурбинных двигателей (ГТД), по-прежнему является острой проблемой, методы решения которой определяют конкурентоспособность предприятия, одной из основных задач которого является внедрение мероприятий, направленных на непрерывное снижение издержек производства. Своевременное освоение новых технологических процессов изготовления деталей авиационных двигателей является необходимым условием динамичного развития предприятия. Развитие конструкций ГТД приводит к расширению использования при их изготовлении деталей, имеющих криволинейные и сложнопрофильные поверхности и изготовленных из труднообрабатываемых жаропрочных сплавов. Их высокие физико-механические характеристики позволяют подгопъ эксплуатационные свойства изделия в целом, но, одновременно с этим, новые материалы обладают худшей обрабатываемостью резанием традиционно применяемыми в производстве инструментами из твердого сплава, что увеличивает стоимость и время технологического процесса изготовления большинства деталей. Применение на операциях механической обработки инструмента из режущей керамики позволяет повысить производительность обработки, однако при необходимости обеспечил, высокое качество обработки на криволинейных поверхностях дисков турбины и кольцевых деталей возникают проблемы с разрушением инструмента.

Инструменты из режущей керамики позволяют производить обработку на скоростях резания порядка 2-6 м/с, при этом существенно повысить производительность обработки. Анализ физических и эксплуатационных свойств инструментов из режущей керамики в сравнении с инструментом из твердого сплава показал, что данные инструментальные материалы хотя и имеют более высокую теплостойкость, дающую возможность использовать более высокие скорости резания, но уступают по изгибной прочности, а, следовательно, подвержены сколам.

Исследование возможностей повышения работоспособности режущей керамики позволило существенно повысить эффективность токарной обработки дисков и кольцевых деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных материалов с учетом их профиля. Поэтому данная работа направлена на решение важных производственных задач и, в свою очередь, является актуальной.

Цель работы. Повышение эффективности токарной обработки криволинейных поверхностей дисков и кольцевых деталей ГТД из жаропрочных сплавов за счет применения инструмента из режущей керамики.

Для достижения поставленной цели в данной работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели высокоскоростного резания инструментами из режущей керамики с учетом криволинейности траектории обработки. Определение параметров сечения среза и составляющих сил резания при обработке сложнопрофильных поверхностей.

2. Разработка математической модели тепловых процессов высокоскоростного резания инструментами из режущей керамики.

3. Проведение экспериментальных исследований сил резания, температуры, параметра износа по задней поверхности и шероховатости обработанной поверхности при точении криволинейных поверхностей.

4. Разработка и создание методики по оптимизации обработки керамическими инструментами, обеспечивающей минимум себестоимости.

5. Разработка рекомендаций по эффективному использованию инструментов из режущей керамики в машиностроительном производстве и авиационной промышленности.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием фундаментальных положений теории резания, теории теплопередачи. Экспериментальные исследования проводились как в лабораторных условиях на специальном оборудовании, так и в производственных. При этом были использованы методы статистической обработки полученных результатов и планирования экспериментов. На защиту выносятся:

- аналитическая модель определения параметров сечения среза и составляющие силы резания при обработке криволинейных поверхностей с учетом несвободного резания;

- математическая модель тепловых процессов при высокоскоростном точении инструментами из режущей керамики с учетом теплообмена со смазочно-охлаждающей жидкостью, вводимой в зону обработки при высоком давлении;

- результаты исследования параметров износа по задней поверхности инструмента и шероховатости обрабатываемой поверхности при точении жаропрочных сплавов инструментами из режущей керамики;

- методика определения оптимальных условий токарной обработки жаропрочных сплавов инструментами из режущей керамики. Научная новизна. Разработана математическая модель

высокоскоростной токарной обработки жаропрочных материалов инструментами из режущей керамики с учетом криволинейности траектории обработки. В том числе:

определены параметры сечения среза и составляющие силы резания при обработке сложнопрофильных поверхностей дисков и кольцевых деталей с учетом несвободного резания;

- разработана математическая модель тепловых процессов при высокоскоростном точении инструментами из режущей керамики с учетом теплообмена со смазочно-охлаждающей жидкостью, вводимой в зону обработки при высоком давлении;

выполнены экспериментальные исследования процесса высокоскоростного точения инструментами из режущей керамики группы жаропрочных сплавов, которые позволили определить не только их обрабатываемость резанием, но и установить параметры, которые были

использованы при расчете составляющих силы резания, температуры, износа по задней поверхности.

Практическая ценность. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика оптимизации условий резания при высокоскоростной токарной обработке криволинейных поверхностей дисков и кольцевых деталей ГТД из жаропрочных сплавов инструментами из режущей керамики, с обеспечением минимальной себестоимости изготовляемых деталей, заданных параметров износа по задней поверхности и шероховатости с учетом возможностей программного обеспечения и станочного оборудования.

Реализация результатов работы. Основные положения диссертационной работы прошли проверку при внедрении процессов высокоскоростной токарной обработки деталей из жаропрочных сплавов инструментами из режущей керамики на предприятии ОАО «НПО Сатурн». Внедрение результатов исследования в производство позволило получить экономический эффект 381 тыс. руб.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Всероссийских научно-технических конференциях: «Авиадвигатели XXI века» Москва, ЦИАМ им. П.И. Баранова

2010, «Будущее машиностроение России» Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана

2011, 2012 и «Наукоёмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении» Рыбинск, РГАТУ имени П.А. Соловьева 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 6 статей. Из них 4 статьи опубликованы из них в центральных изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 178 страниц, 52 рисунка, 15 таблиц и 135 наименований литературы.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, кратко сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводится анализ современного состояния обработки жаропрочных сплавов керамическим инструментом. Приведены свойства инструментальных материалов из режущей керамики и их технологические возможности, показаны направления развития. Показано, что при высокоскоростной обработке жаропрочных сплавов инструментом из режущей керамики наблюдается процесс элементного стружкообразования. Обоснована необходимость исследования тепловых процессов при точении инструментом из режущей керамики в связи с её пониженной теплопроводностью по сравнению с твердосплавным инструментом, так как высокая температура в зоне резания может привести к снижению стойкости инструмента.

На основании анализа литературных источников и производственных проблем применения керамических инструментов поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе представлена разработка математической модели резания инструментами из режущей керамики.

В производстве деталей газотурбинных двигателей при обработке жаропрочных материалов инструментом из режущей керамики наибольшее распространение получили пластины круглой формы. Данные типы пластин не только просты в изготовлении, но и экономически эффективны по сравнению с другими формами пластин, так как имеют до 10 режущих кромок. При точении круглыми пластинами (с небольшими глубинами резания по отношению к радиусу при вершине) в работе формирования стружки помимо главной режущей кромки в работе принимает участие и вспомогательная, что указывает на процесс несвободного резания. В этом случае по сравнению с процессом свободного прямоугольного резания материалов возникают трудности, связанные с определением ширины (Ь\) и толщины (а,) сечения среза, от которых зависит величина силы резания.

При обработке дисков турбины наиболее часто сочетается обработка их полотен и ступиц, причем геометрическая форма детали такова, что необходимо обработать не только прямолинейные участки, но и радиусы, поэтому траектория движения режущего инструмента складывается из попеременных прямолинейных и криволинейных участков (рисунок 1).

Рисунок 1- Изменение сечение среза при точении круглыми пластинами из керамики при обработке криволинейных поверхностей

При таком переходе в процессе обработки происходит изменение направления вектора подачи Вследствие этого помимо величины продольной подачи 5Пр возникает поперечная подача л-попр, действующая в радиальном направлении, происходит увеличение не только величины суммарной подачи •?сУмм и толщины сечения среза аь но и возрастание составляющих силы резания, которое может повлиять на работоспособность режущей пластины из минералокерамики. Следовательно, на процесс обработки существенно влияет радиус кривизны обрабатываемой поверхности заготовки гшг,.

Величина суммарной подачи icyMM на криволинейном участке определялась как отношение: scyMM= snp /cos 5. С учетом исследований в области несвободного резания и кривизны обрабатываемой поверхности основные параметры сечения среза при обработке криволинейных участков имели вид:

_fr t

(1)

^собс? I ) т

где 3 - угол между касательной к траектории движения центра пластины и прямой, характеризующей прямолинейный участок, град; /и=//МУ -безразмерный коэффициент, зависящий от геометрических параметров инструмента, подачи 5 и глубины V, /т - площадь сечения сформировавшихся гребешков неровностей на обработанной поверхности, м2; ММ - длина отрезка, соединяющего две крайние точки работающих участков режущих кромок инструмента, м.

При обработке с небольшими глубинами резания по отношению к радиусу пластины параметры/гп т могут быть определены зависимостями:

п ■

= y;/* = ^-;//. = r„-(1-cosfO-s-

■(2ф-$т2ф)-,ф = arcsin^^

(2)

где П и Р - безразмерные параметры, характеризующие технологические условия анализируемого случая токарной обработки.

На величину отрезка МЫ и, следовательно, на угол ф„ влияют углы начальной с^ и >- конечной 05к точек траектории движения режущей пластины (рисунок 2). Значения начальных и конечных углов траектории движения режущей пластины зависит от конкретных условий обработки, и опре-

Рисунок 2 - Схема к определению деляются следующими толщины и ширины сечения среза при выражениями: несвободном резании

ан ~ arcsrn

; ак = arcsin(l - —) .

(3)

Принимая во внимание криволинейность траектории процесса резания и, введя соответствующие подстановки, величина МИ определялась зависимостью:

Ш = -

кг п

1-0,125

Я

К.-Р-соьЗ

'р'гк 'Т Р

Кг-Р-соъ8

(0,5)® - 0,125

П

К-Р-созЗ

}

где гзаг - радиус кривизны обрабатываемой заготовки, мгш - радиус режущей пластины, м; К, - безразмерный радиус кривизны поверхности, равный отношению гзаг к гпл; П=(^) и Р=(гш,/с) - безразмерные параметры, характеризующие технологические условия анализируемого случая токарной обработки.

Средние величины толщины и ширины сечения среза, определенные с учетом криволинейности траектории при точении круглыми пластинами:

„ и ' т МЫ

где МЫ- определяется зависимостью (5).

На графиках рисунок 3 представлены зависимости ширины сечения среза Ь\ от параметров Р, К,,

ьро

5 73

а) б)

Рисунок 3 - Графики зависимости ширины сечения среза Ъх от параметров Р (а) и К, (б) при точении круглой пластиной из керамики типа Ш\'СЫ 120700Е, условия обработки: ГзаГ=20мм, гш=6,35мм, л=0,1 мм/об, 3=45°

Из анализа фафиков, можно сделать вывод о том, что при соотношениях г^кЮО и г^гт<20 необходимо учшывать изменения траектории движения инструмента. Это очень важно при точении пластинами из режущей керамики, так как вследствие своих физико-механических свойств, при колебаниях толщины и ширины сечения среза вероятен риск разрушения режущей пластины и снижения ее размерной стойкости.

Тепловые явления, происходящие не только в поверхностном слое обрабатываемого материала, но и на контактных площадках передней и задней поверхности инструмента, могут оказать определяющее влияние на характер

распределения температуры в режущем лезвии. Поэтому для эффективного использования инструмента из режущей керамики при обработке жаропрочных сплавов необходимо применение высоконапорного охлаждения.

В представленной работе решения теплофизических задач производились методом источников тепла, отличающиеся с учетом теплообмена со смазочно-охлаждающей жидкостью на контактных поверхностях режущего лезвия.

Определение температурного поля в условной плоскости сдвига и зоне вторичных пластических деформаций производилось посредством схемы, показанной на рисунок 4.

Выражение для расчета температуры в условной плоскости сдвига записывалось в виде зависимостей от безразмерных критериев подобия в следующем виде:

Рисунок 4 - Схема расчета температурного поля зоны пластических деформаций и в стружке

@ли - -

Ялв

•сРн^рг-е

(6)

где 2=(у?-г)12аи - безразмерные координаты; - тангенс

угла наклона условной плоскости сдвига; Б=(ур-Ь)/2ам - безразмерная полуширина источника; К0-модифицированная функция Бесселя 2 рода нулевого порядка.

Температурное поле в стружке рассматривается как результат действия группы движущихся источников: источника ЛВ, действующего в зоне первичных пластических деформаций, и источника АС, который образуется в результате трения на поверхности контакта стружки с режущим инструментом. (Рисунок 4). Выражение для расчета температурного поля в стружке представлено в виде зависимости:

0с(х\у\2) = 0л„(х-2) + 0, = Олв{хм) + - 2д"--

л-сри -ус

(ь-4)2

(7)

и-уЗ-ехрСз-г)^

]ехр(/К).К0 1 1 1 г2 + с2 ¿2

(¿-А,)2

/ п—г г2+сг

где ^¿(х-х)}12ам, К-{ус->)/2ам, 7=<Ч'с'г)/2дм- безразмерные координаты; ДНОгДОм-кротерий Био, характеризующий теплообмен на поверхности тела; Ре= (ус-1и)/ам -критерий подобный Пекле, характеризующий скорость движения источника теша; /3НВУРе) - безразмерный комплекс, характеризующий интенсивность теплообмена; ВНф\ - тангенс угла наклона условной плоскости сдвига; Ь=(уй-1)Иам-безразмерная длина контакта стружки с режущим лезвием в направлении оси У; Ьа=(ус-1оУ2аи -безразмерная длина пластического контакта; Б=(ус-Ь)/2ам - безразмерная полуширина источника.

Выражение для расчета температурного поля заготовки на задней контактной площадке представлялось в виде зависимости аналогично рассмотренному температурному полю в стружке:

ОЧХ-г) = 0ав(Г,2) + х

т-сРмЛ

|ехр {-С)-К,

V Л,(Н-Н0У

(8)

{!-/?■ ехрС/й')-

У

<Н-Н0у

Кг

(1У

к

где Я=(ур-Д)/2ам- безразмерная длина контакта стружки с режущим лезвием в направлении оси Я0=(ур-До)/2ам - безразмерная длина пластического контакта в направлении оси 2; Б=(\уЬ)/2ам - безразмерная полуширина источника.

Схема расчета температуры в режущем лезвии представлена на рисунке 5.

>'1 с Е ) N 0 Ч

(0

А А 0

Рисунок 5 - Схема расчета температурных полей в режущем лезвии

Температурное поле в режущем клине определялось зависимостью:

2 д„

х{1 -/Зех^)

- {ехр[-£К

/У-Б

1

1

(А>) (¿-А,)

/{ехрСагКо г + 1 ]

к. 1 + 1 Т

(9)

- |ехр[-<Г]-К„

Я' ' еХР(1', •> 2-Е

|{ехр(/?Г)К0

■^Тс-г- —+

(Я0) (Н-Н„)

х{1-/?ехр(/й^

1

(Я0) (Я-Я0)

1

Я7 %

1

20 О

Осотс

Ои

йс

йз

(я-я0)

В связи с теплопроводностью исследование процессов при инструментом из

пониженной керамики, тепловых точении режущей

10

30 Ре

50

тбердый сплаб

70

керамики становится более актуальным. Выполненный

(рисунок 6) анализ уравнения баланса энергий при точении инструментом из режущей керамики показал, что увеличение скорости резания и толщины сечения среза приводит к нарастанию относительной доли тепла, отводимой в стружку и заготовку и в меньшей степени в режущее лезвие по сравнению с инструментом из твердого сплава.

Результаты расчета баланса тепловой и механической энергий показывают, что при высоких скоростях резания существенно повышается значение охлаждения, также снижается доля тепла, отводимого в инструмент, особенно в связи с низким коэффициентом теплопроводности инструмента из режущей керамики по сравнению с инструментом из твердого сплава. Поэтому для эффективной работы инструментом из режущей керамики рекомендуется интенсивная подача смазочно-охлаждающей жидкости при высоком давлении.

режущая керамика Рисунок 6 - Баланс теплоты при точении жаропрочного материала ХН77ТЮР инструментом из режущей керамики и твердым сплавом:

и = 2,7 м/с; б = 0,15 мм/об; 1=1,5мм;

ао= 2-105Вт/(м2-К)

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований процесса точения жаропрочных сплавов инструментами из режущей керамики. Представлена методика экспериментальных исследований, дано описание используемой аппаратуры. Применялись планы ПФЭ 2 и ПФЭ 23. Выполнены исследования составляющих силы резания, температуры, износа по задней поверхности режущего инструмента и шероховатости обработанной поверхности.

Выполнены экспериментальные исследования составляющих сил резания, которые позволили определить параметры процесса точения жаропрочных сплавов.

Результаты экспериментальных исследований температуры резания жаропрочных сплавов инструментами из режущей керамики, проведенные с использованием лазерного пирометра ОрШэ Р20 2М, показали, что погрешность расчетов температуры и экспериментальных данных не превышала 20%. В исследованном диапазоне скоростей резания при точении рассмотренных в диссертационной работе жаропрочных материалов среднеинтегральная температура вр не превышала 1050°С, что гарантирует достаточную теплостойкость керамического инструмента.

Исследования влияния технологических параметров процесса на износ инструмента (рисунок 7) позволили получить зависимость:

= (10)

где ур - скорость резания, м/с у0 - оптимальная скорость резания для исследуемого материала, м/с; Б- критерий, характеризующий сечение среза; Ь глубина резания, мм; Скт - коэффициент, учитывающий криволинейность поверхности; Сь, кь к2, к3- эмпирические коэффициенты.

Рисунок 7 - Зависимость износа по задней поверхности от скорости резания при условиях: 5 = 0,1 мм/об, 1=1,2 мм Кг3; 1 - ВЖЛ12У-ВИ; 2 ХН62ЮМКТЮ; 3 - ХН78Т

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента Кг от износа по задней поверхности при точении криволинейной поверхности детали из жаропрочного сплава ХН78Т

Экспериментальные исследования шероховатости обработанной поверхности позволили получить эмпирические зависимости для определения параметров Яа и Яг при точении жаропрочных сплавов инструментом из режущей керамики:

Ка = 0,249 • (Ре ■ £)°'27 • /З°'3! (11)

= 0,012-Ре1'6 -Е15 -О-0'06

(12)

где Е - критерий, характеризующий остроту режущей кромки.

В четвертой главе приводится методика оптимизации операций точения инструментами из режущей керамики по минимуму себестоимости. Основные

преимущества при точе-

Технологические данные на операцию; Технические характеристики оборудования; Схема обработки; Характеристики инструмента; Начальная точка поиска: у,б,1,гааг.

Сечение среза при

изменяющихся условиях обработки

| Силы резания | -к.

/Анализ силы резанияЧ /при изменении векторах!! \направления подачи/

Температура резания

Г Анализ параметра > износа инcf румента по задней Ч поверхности /

Рисунок 9 - Схема расчета режимов точения жаропрочных сплавов керамическим инструментом

нии жаропрочных сплавов инструментом режущей керамики связаны с повышением режимов механической обработки, значительным увеличением производительности и снижением расхода режущих пластин. В ряде случаев при обработке жаропрочных сплавов керамическим инструментом может быть достигнут более высокий съем металла по сравнению с обработкой твердосплавным инструментом.

На рисунке 9 представлена схема расчета режимов резания при точении инстру-ментом из режущей керамики.

В рамках данной работы основный критерием оптимизации являлся параметр переменной доли себестоимости технологической операции Соп.пеР ■ При этом целевая функция имела следующий вид:

С =Е ,к .щш, (13)

^оп.пер ^зарп. М у* ММ' * '

где Езарп. - сумма зарплаты основных производственных рабочих и всех амортизационных отчислений, отнесенных к минуте работы станка; ^ 1Н - время на смену и наладку нормально изношенного инструмента за период его стойкости, мин; км - коэффициент, учитывающий непосредственное резание в машинном времени; С'и - сумма затрат на один период стойкости режущего инструмента.

Теоретические и практические результаты работы были внедрены на предприятии «ОАО «НПО«Сатурн» при обработке деталей авиационной и наземной тематики из жаропрочных сплавов.

В ходе работы разработаны рекомендации по выбору траектории движения инструмента, режимов обработки и марок инструментов из режущей керамики при обработке различных деталей из жаропрочных сплавов.

Эффективность от внедрения данных научно-технических разработок заключалась в повышении эффективности лезвийной обработки жаропрочных материалов инструментом из режущей керамики за счет увеличения скорости резания и снижения машинного времени обработки, что обеспечило не только уменьшения расхода режущего инструмента, но и снижение затрат на него. В среднем, повышение эффективности технологических операций выразилось в увеличении производительности на 30% и снижении себестоимости обработки на 15%.

Экономический эффект от внедрения разработок составил 381000 рублей.

Общие выводы по диссертации

1. Разработанная модель определения параметров сечения среза и составляющих силы резания позволила определить параметры сечения среза и составляющие силы резания при обработке криволинейных и сложнопрофильных поверхностей дисков и кольцевых деталей ГТД. Определены границы, при которых необходимо учитывать кривизну обрабатываемой поверхности детали.

2. Разработанная математическая модель тепловых процессов с учетом теплообмена со смазочно-охлаждающей жидкостью, вводимой в зону обработки при высоком давлении, позволила определить температуру и баланс механической и тепловой энергии при высокоскоростном резании инструментами из режущей керамики.

3. Проведенные экспериментальные исследования процесса высокоскоростного точения группы жаропрочных сплавов инструментом из минералокерамики позволили определить не только их обрабатываемость резанием, но и установить параметры, которые были использованы при расчете составляющих силы резания, что дает возможность прогнозировать характеристики процесса обработки инструментом из режущей керамики при заданных в производстве технологических условиях.

4. Исследования шероховатости позволили экспериментально получить зависимости для определения шероховатости поверхности в области высокоскоростного точения жаропрочных сплавов инструментом из режущей керамики.

5. Разработанная методика оптимизации операций точения инструментом из режущей керамики позволила учесть широкий комплекс факторов, в том числе и разработать рекомендации для выбора характеристик инструмента, а также оптимизировать условия обработки по минимуму себестоимости операции.

6. Разработанные практические рекомендации для технологий точения инструментом из режущей керамики позволили уменьшить себестоимость операций на 15% и повысить производительность обработки на 30% при обеспечении требуемых параметров шероховатости.

Список публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Тарасов, С. С. Повышение эффективности токарной обработки деталей ГТД из жаропрочных никелевых сплавов керамическим инструментом [Текст] / С.С.Тарасов, А.А. Коряжкин // Справочник. Инженерный журнал.-2012-№11.-С.14-19.

2. Волков, Д. И. Применение высокоскоростной токарной обработки для изготовления деталей из жаропрочных никелевых сплавов керамическим инструментом [Текст] / Д. И. Волков, С. JI. Проскуряков, С. С. Тарасов// Вестник РГАТУ .-2012-№2.-С. 134-137

3. Волков, Д. И. Расчетное определение параметров сечения среза при высокоскоростной токарной обработке криволинейных поверхностей деталей ГТД из жаропрочных никелевых сплавов [Текст] / Д. И. Волков, С. С. Тарасов// Вестник РГАТУ.-2013-№1.-С.61-68

4. Коряжкин, А. А. Повышение эффективности процесса токарной обработки криволинейных поверхностей деталей из жаропрочных сплавов керамическим инструментом [Текст] / А. А. Коряжкин, С. С. Тарасов //СТИН. -№8. - 2013. - С.23 - 27.

Список публикаций по теме диссертации в других изданиях

1. Тарасов, С.С. Оптимизация режимов резания при обработке деталей из жаропрочных сталей и сплавов керамическим инструментом [Текст] / С.С. Тарасов // Авиадвигатели XXI века: материалы конференции: тез.докл,-М;ЦИАМ, 2010-С.37.

2. Тарасов, С.С. Повышение эффективности обработки деталей из жаропрочных материалов керамическим инструментом [Текст] / С. С. Тарасов // Будущее машиностроения России: материалы конференции : тез.докл. М; МГТУ им. Баумана, 2011 - С.25-26.

3. Тарасов, С.С. Динамика упругой технологической системы при высокоскоростном точении деталей ГТД из жаропрочных никелевых сплавов керамическим инструментом с учетом нестационарности процесса [Текст] С. С. Тарасов, А. А. Коряжкин // Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении: мат. IV междунар. конф.-Рыбинск:РГАТУ,2012-С.30-36.

4. Тарасов, С.С. Применение керамического инструмента как перспективное направление в области высокоскоростной токарной обработки деталей ГТД из жаропрочных никелевых сплавов [Текст] / С. С. Тарасов// Будущее машиностроения России: материалы конференции:тез.докл. М; МГТУ им. Баумана, 2012-С.16-18.

5. Тарасов, С.С. Анализ тепловых процессов при точении деталей ГТД из жаропрочных сплавов керамическим инструментом [Текст] / Д. И. Волков, С. С. Тарасов// Техника и технологии: пути инновационного развития: мат. III междунар. конф.-Курск:Юго-Зап. Гос. ун-т, 2013-С.60-63.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 25.10.2013. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 90. Заказ 251.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьёва (РГАТУ имени П. А. Соловьёва)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьёва

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

04201455461

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования Рыбинский государственный авиационный технический университет

имени П. А. Соловьева

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДИСКОВ И КОЛЬЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ИЗ РЕЖУЩЕЙ КЕРАМИКИ

Специальность: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-

технической обработки

На правах рукописи

Тарасов Сергей Сергеевич

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Д. И. Волков

Рыбинск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................... 4

1 Анализ состояния, задачи повышения эффективности токарной обработки криволинейных поверхностей дисков и кольцевых деталей ГТД инструментом из режущей керамики.................................... 8

1.1 Исследования механической обработки деталей ГТД инструментами из СТМ и инструментальной керамики.............. 8

1.2 Моделирование процесса точения деталей ГТД...................... 19

1.3 Требования к технологическому процессу, оборудованию и инструменту при токарной обработке деталей ГТД.................... 25

1.4 Постановка цели и задач исследования................................. 29

2 Разработка математической модели высокоскоростного резания инструментом из режущей керамики.......................................... 31

2.1 Особенности резания инструментом из режущей керамики........ 31

2.2 Расчет силы резания при обработке криволинейных поверхностей инструментом из режущей керамики..................... 37

2.3 Математическая модель тепловых процессов при работе инструментом из режущей керамики..................................... 55

2.4 Баланс тепловой и механической энергии при работе инструментом из режущей керамики...................................... 78

2.5 Выводы по главе 2........................................................... 84

3 Результаты экспериментальных исследований работы инструментом

из режущей керамики.............................................................. 85

3.1 Оборудование и методика экспериментов.............................. 85

3.2 Исследование температуры и силы резания при работе инструментом из режущей керамики..................................... 90

3.3 Исследование влияния технологических параметров процесса на износ инструмента из режущей керамики................................ 95

3.4 Исследование качества поверхностного слоя обработанных поверхностей.................................................................... 103

3.5 Выводы по главе 3........................................................... 111

4 Методика оптимизации операций точения инструментами из

режущей керамики................................................................ 112

4.1 Разработка методики оптимизации операций токарной обработки инструментом из режущей керамики по минимуму себестоимости......................................................................... 112

4.2 Разработка программного обеспечения для расчета параметров процесса резания............................................................. 121

4.3 Практические рекомендации по использованию инструмента из режущей керамики в производстве...................................... 124

4.4 Выводы по главе 4........................................................... 132

Заключение............................................................................. 133

Условные обозначения............................................................... 134

Список литературы................................................................... 137

Приложения............................................................................ 151

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Поиск технологических решений, позволяющих совместить высокое качество и высокую производительность в производстве деталей газотурбинных двигателей (ГТД), по-прежнему является острой проблемой, методы решения которой, определяют конкурентоспособность предприятия, одной из основных задач которого является внедрение мероприятий, направленных на непрерывное снижение издержек производства. Своевременное освоение новых технологических процессов изготовления деталей авиационных двигателей, является необходимым условием динамичного развития предприятия. Развитие конструкций ГТД приводит к расширению использования при их изготовлении деталей, имеющих криволинейные и сложнопрофильные поверхности и изготовленных из труднообрабатываемых жаропрочных сплавов. Их высокие физико-механические характеристики сплавов позволяют поднять эксплуатационные свойства изделия в целом, но одновременно с этим, новые материалы обладают худшей обрабатываемостью резанием традиционно применяемыми в производстве инструментами из твердого сплава, что увеличивает стоимость и время технологического процесса изготовления большинства деталей. Применение на операциях механической обработки инструмента из режущей керамики позволяет повысить производительность обработки, однако при необходимости обеспечить высокое качество обработки на криволинейных поверхностях дисков турбины и различных кольцевых деталей возникают проблемы с разрушением инструмента.

Инструменты из режущей керамики позволяют производить обработку на скоростях резания порядка 2-6 м/с, при этом существенно повысить производительность обработки. Анализ физических и эксплуатационных свойств инструментов из режущей керамики в сравнении с инструментом из твердого сплава показал, что данные инструментальные материалы хотя и имеют более высокую теплостойкость, дающую возможность использовать более высокие

скорости резания, но уступают по изгибной прочности, а, следовательно, подвержены сколам. Исследование возможностей повышения работоспособности режущей керамики позволило существенно повысить эффективность токарной обработки дисков и кольцевых деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных материалов с учетом их профиля, поэтому данная работа, направленная на решение важных производственных задач является актуальной.

Цель работы. Повышение эффективности токарной обработки криволинейных поверхностей дисков и кольцевых деталей ГТД из жаропрочных сплавов за счет применения инструмента из режущей керамики.

Для достижения поставленной цели в данной работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели высокоскоростного резания инструментами из режущей керамики с учетом криволинейности траектории обработки. Определение параметров сечения среза и составляющих сил резания при обработке сложнопрофильных поверхностей.

2. Разработка математической модели тепловых процессов высокоскоростного резания инструментами из режущей керамики.

3. Проведение экспериментальных исследований сил резания, температуры, параметра износа по задней поверхности и шероховатости обработанной поверхности при точении криволинейных поверхностей.

4. Разработка и создание методики по оптимизации обработки керамическими инструментами, обеспечивающая минимум себестоимости.

5. Разработка рекомендаций по эффективному использованию инструментов из режущей керамики в машиностроительном производстве и авиационной промышленности.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием фундаментальных положений теории резания, теории

теплопередачи. Экспериментальные исследования проводились, как в лабораторных условиях на специальном оборудовании, так и в производственных. При этом были использованы методы статистической обработки полученных результатов и планирования экспериментов. На защиту выносятся:

- аналитическая модель определения параметров сечения среза и составляющие силы резания при обработке криволинейных поверхностей дисков и кольцевых деталей с учетом несвободного резания;

- математическая модель тепловых процессов при высокоскоростном точении инструментами из режущей керамики с учетом теплообмена со смазочно-охлаждающей жидкостью, вводимой в зону обработки при высоком давлении;

- результаты исследования параметров износа по задней поверхности инструмента и шероховатости обрабатываемой поверхности при точении жаропрочных сплавов инструментами из режущей керамики;

- методика определения оптимальных условий токарной обработки жаропрочных сплавов инструментами из режущей керамики.

Научная новизна. Разработана математическая модель высокоскоростной токарной обработки жаропрочных материалов инструментами из режущей керамики с учетом криволинейности траектории обработки. В том числе:

определены параметры сечения среза и составляющие силы резания при обработке сложнопрофильных поверхностей дисков и кольцевых деталей с учетом несвободного резания;

разработана математическая модель тепловых процессов при высокоскоростном точении инструментами из режущей керамики с учетом теплообмена со смазочно-охлаждающей жидкостью, вводимой в зону обработки при высоком давлении;

выполнены экспериментальные исследования процесса высокоскоростного точения инструментами из режущей керамики группы

жаропрочных сплавов, которые позволили определить не только их обрабатываемость резанием, но и установить параметры, которые были использованы при расчете составляющих силы резания, температуры, износа по задней поверхности.

Практическая ценность. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика оптимизации условий резания при высокоскоростной токарной обработке криволинейных поверхностей дисков и кольцевых деталей ГТД из жаропрочных сплавов инструментами из режущей керамики, с обеспечением минимальной себестоимости изготовляемых деталей, заданных параметров износа по задней поверхности и шероховатости с учетом возможностей программного обеспечения и станочного оборудования.

Реализация результатов работы. Основные положения диссертационной работы прошли проверку при внедрении процессов высокоскоростной токарной обработки деталей из жаропрочных сплавов инструментами из режущей керамики на предприятии ОАО «НПО Сатурн». Внедрение результатов исследования в производство позволило получить экономический эффект 381 тыс. руб.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Всероссийских научно-технических конференциях: «Авиадвигатели XXI века» Москва, ЦИАМ им. П.И. Баранова 2010, «Будущее машиностроение России» Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана 2011, 2012 и «Наукоёмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении» Рыбинск, РГАТУ имени П.А. Соловьева 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 6 статей. Из них 4 статьи опубликованы из них в центральных изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 178 страниц, 52 рисунка, 15 таблиц и 135 наименований литературы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ, ЗАДАЧИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДИСКОВ И КОЛЬЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД ИНСТРУМЕНТОМ ИЗ РЕЖУЩЕЙ КЕРАМИКИ

1.1 Исследования механической обработки деталей ГТД инструментами из СТМ и инструментальной керамики.

К деталям, применяемым в авиадвигателестроении, предъявляются высокие требования по надежности. Это связано с их работой при значительных нагрузках и при высоких температурах (до 2000°С). Речь идет о изделиях типа дисков турбины, различных роторных корпусных и кольцевых деталей. Материалы, из которых они изготавливаются можно условно разделить на четыре группы: коррозионностойкие и жаропрочные стали, титановые сплавы, жаропрочные никелевые и кобальтовые сплавы. Как правило, при производстве таких деталей приходится решать задачи обеспечения приемлемой производительности при требуемом качестве. Инструментальными материалами здесь служат, металлокерамические твердые сплавы, как отечественных марок (ВК 6, ВК 8, ВК 10 ОМ и др.), так и импортных (ОС 1105 - фирм 8апс1у1к Согошап! и 1С 907 -18САЯ).

Рассмотрим элементы режима резания для каждой из четырех групп рассматриваемых материалов.

Обработка коррозионностойких сталей производится в основном при скоростях резания V = 2 - 2,5 м / с, величина подачи при этом составляет 8 = 0,2 -0,25 мм / об, что приемлемо с точки зрения производительности.

При токарной обработке титановых сплавов скорости резания порядка V = 1 - 1,5 м / с, величина подачи б = 0,2 - 0,25 мм / об.

Однако наиболее трудными для обработки являются детали из жаропрочных сплавов. Режимы резания для этих материалов составляют у = 0,2 -

0,5 м / с, а величина подачи находится в пределах s = 0,1 - 0,15 мм / об. Обработка данных материалов требует еще и большего количества смазочно -охлаждающей жидкости (СОЖ).

Учитывая тот факт, что в современном авиадвигателестроении доля компонентов двигателя, изготовленных из жаропрочных сплавов, неуклонно растет, ввиду постоянного роста рабочих температур двигателя. То обработка таких сплавов, да еще с постоянно растущей номенклатурой деталей представляет собой непростую задачу. Она может быть решена с помощью следующих технологических изменений. Во — первых, применение более прогрессивного режущего инструмента с многослойными покрытиями. Во -вторых, применение инструмента с технологией подачи смазочно-охлаждающей жидкости под высоким давлением непосредственно в зону резания. Но, как показала практика, наиболее производительным является применение высокоскоростного точения с использованием инструмента из СТМ и режущей керамики.

В настоящее время в авиадвигателестроении находят применение новые перспективные инструментальные материалы (режущая керамика, кубический нитрида бора). Исследования в области высокоскоростной механической обработки становится особенно актуальными, как у нас в России [3, 11, 13, 21, 24, 52, 73] так и в зарубежных странах [114, 115, 117, 132, 134].

Режущая керамика обладает прекрасной стойкостью к высоким температурам и может применяться как для предварительных, так и окончательных этапов обработки. Скорости резания при точении жаропрочных сплавов инструментами с керамическими пластинами варьируются в диапазоне 2,5...6 м/с. Глубина резания может быть в пределах 1...3 мм и сильно зависит от размеров используемых пластин, жесткости оборудования и формы изделия. Но, в любом случае, это равносильно 5... 10-кратному увеличению производительности обработки в сравнении с аналогичными операциями, выполняемыми твердосплавными резцами.

Керамические режущие инструменты, представленные на рынке инструментальной промышленностью, отличаются своим строением и физико-механическими свойствами. Режущая керамика, как один из наиболее перспективных инструментальных материалов, получают из оксида алюминия с добавками таких легирующих элементов как вольфрам, кобальт, кремний, титан, тантал. Использование режущей керамики гарантирует высокую производительность при черновой обработке на предварительной стадии и получистовой обработке. Их применение значительно отличается от твердых сплавов в силу ряда особенностей:

- высокой твердости и температуростойкости керамики (твердость НЯС 90... 95 при температуре 950... 1100 °С), допускается применять высокую скорость резания, чтобы использовать высокую температуру в зоне резания для разупрочнения стружки;

- повышенной износостойкости;

Недостатком керамических материалов является их пониженный предел прочности на изгиб (900 - 980 МПа) по сравнению с инструментом из твердого

сплава(1800 МПа), что может привести к сколу кромки, отслоению вершины.

1 /2

Низкий коэффициент трещиностойкости (Ки-=4,5Мпа-м ), определяемый согласно источнику [75], повышенная хрупкость и низкая теплопроводность. Результатом чего в процессе обработки криволинейных поверхностей инструментом из режущей керамики возникают сложности из-за нестабильности процесса обработки, вследствие пониженного предела прочности на изгиб.

Для обработки жаропрочных сплавов с повышенной твердостью используют на основе кубического нитрида бора (эльбора Р). Твердость эльбора Р приближается к твердости алмаза, а его температуростойкость в два раза выше температуростойкости алмаза. Эльбор Р химически инертен к материалам на

основе железа. Предел прочности поликристаллов при сжатии 4... 5 ГПа (4000...

2 2 5000 Н/мм ), при изгибе — 0,7 ГПа (700 Н/мм'), температуростойкость 1350...

1450°С. Из современных марок инструмента из кубического нитрида бора следует

отметить режущие сменные пластины ф-SECO CBN10 и CBN170, которые используют в основном при окончательной обработке жаропрочных сплавов на никелевой основе, а также ф.8апсКак Coromant СВ7015. Режущие сменные пластины из сверхтвердых материалов и композитов отечественных марок регламентирует ГОСТ 28762 - 86.

Режущая керамика как и инструменты из СТМ — это инструментальные материалы, которые имеют трудный и долгий процесс производства. Основными преимуществами применения керамики, как один из направлений высо