автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение показателей качества при токарной обработке канавочных поверхностей дисков ГТД на основе моделирования схем контактного взаимодействия

На правах рукописи

КИРИЛЛОВА АЛЕВТИНА АНАТОЛЬЕВНА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ КАНАВОЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДИСКОВ ГТД НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ СХЕМ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Пермь-2009

003469944

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете

Научный руководитель

• доктор технических наук, профессор Свирщёв Валентин Иванович

Официальные оппоненты

■ доктор технических наук, старший научный сотрудник Шендеров Илья Борисович

• кандидат технических наук, доцент Паршаков Александр Николаевич

Ведущая организация -

ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь

Защита состоится «19» июня 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.188.06 при Пермском государственном техническом университете по адресу: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, ауд. 4236.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета

Автореферат разослан «15» мая 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор В .И. Свирщёв

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Повышение производительности механообработки при стабильном обеспечении требуемого качества и эксплуатационных свойств деталей газотурбинного двигателя (ГТД) является приоритетным направлением современного авиадвигателестроения. Это достигается внедрением новых более эффективных технологических процессов или совершенствованием применяемых, что в полной мере относится к операциям чистового точения.

Точение является одним из самых распространённых и освоенных процессов. Несмотря на это токарная обработка особо ответственных, определяющих ресурс двигателя деталей - дисков газовых турбин, является наиболее трудоёмкой частью технологического процесса и всегда вызывает определённые трудности, так как труднообрабатываемые жаропрочные сплавы на никелевой основе типа ЭИ698-ВД, ЭИ698-П, ЭП741-НП из которых изготавливаются диски, характеризуются низким коэффициентом обрабатываемости резанием.

Кроме того, диски турбин являются сложнофасонными деталями с множеством различных труднодоступных для обработки поверхностей - карманов, канавок, уступов, выточек лабиринтных уплотнений. К числу таких поверхностей относится внутренняя канавка во фланце крепления диска к валу ротора.

В настоящее время токарная обработка канавок выполняется канавочны-ми резцами с напаянными пластинами из твёрдого сплава. Из-за весьма низкой стойкости этих резцов, недостаточной производительности, неудовлетворительного качества обработанных поверхностей, операции обработки канавок являются узким местом при производстве турбинных дисков.

Системный анализ процесса контурного точения поверхностей канавки (торцев, дна и радиусов сопряжения между ними) канавочными резцами позволил выделить ряд переменных при обработке факторов: изменяющиеся параметры сечения среза, нарастающий износ инструмента, различие в жёсткости технологической системы на разных участках обрабатываемой поверхности, изменение направления и точки приложения вектора силы резания. Вследствие наличия вышеуказанных переменных условий, а также склонности резца к появлению вибраций, ухудшается качество обработанных поверхностей.

В связи с этим задача повышения эффективности процесса точения канавочными резцами турбинных дисков на основе научно-обоснованного управления показателями качества поверхности является весьма актуальной.

Цель работы. Технологическое обеспечение показателей качества при чистовой токарной обработке канавочных поверхностей дисков ГТД из жаропрочных сплавов на основе моделирования схем контактного взаимодействия резца и заготовки в условиях нестационарности процесса резания.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведён анализ технологических проблем обеспечения показателей качества поверхности и усталостной прочности при точении внутренней канавки во фланце крепления диска к валу ротора твердосплавными канавочными резцами.

2. Выполнено моделирование схем контактного взаимодействия режущей части канавочного резца с обрабатываемыми поверхностями канавки.

3. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследования взаимосвязей составляющих силы резания, среднеконтактной температуры, показателей качества поверхности и стойкости резцов с технологическими условиями токарной обработки.

4. Разработан способ определения рациональной подачи при чистовом точении поверхностей канавки.

5. Разработана математическая модель технологического управления показателями качества поверхности при токарной обработке поверхностей канавки с учётом изменяющихся технологических условий.

6. Создан алгоритм и прикладная программа для определения оптимальных параметров режима резания при чистовом точении канавок фланцев турбинных дисков.

Научная новизна работы. Разработана комплексная математическая модель технологического управления показателями качества поверхности при чистовом точении канавок во фланцах турбинных дисков из жаропрочных сплавов с учётом нестационарности условий обработки. В том числе:

- выполнено моделирование и аналитически описаны различные схемы контактного взаимодействия режущей части канавочного резца с обрабатываемыми поверхностями канавки в условиях нестационарного резания;

- установлены основные закономерности и взаимосвязи составляющих силы резания, среднеконтактной температуры, показателей качества поверхности (шероховатости, максимальных остаточных напряжений I рода, глубины и степени наклёпа) и стойкости канавочных резцов с технологическими условиями чистового точения жаропрочных сплавов;

- разработан способ определения рациональной подачи при чистовом точении поверхностей канавки (патент РФ №2303504, В23В1/00,24.08.2005).

Методы исследований. Теоретические исследования проводились на базе научных основ технологии машиностроения, теории резания, теплопередачи, численно-аналитических методов математического анализа. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях на токарных станках с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры по стандартным и разработанным автором методикам с использованием методов планирования экспериментов, регрессионного анализа и статистической обработки результатов исследований. Обработка экспериментальных данных и математические расчёты осуществлялись на ЭВМ с использованием программ ADCLab, Microsoft Excel, MathCAD.

Практическая ценность и реализации результатов работы заключается в следующем;

- разработана прикладная программа оптимизации параметров режима чистового точения поверхностей канавки фланцев турбинных дисков;

- обеспечено повышение производительности токарной обработки поверхностей канавки в 3,3 раза за счёт применения сборных канавочных резцов,

оснащённых твердосплавными пластинами с износостойкими покрытиями, и оптимальных режимов резания.

Результаты работы внедрены в технологические процессы чистового точения канавок во фланцах турбинных дисков из жаропрочных никелевых сплавов ЭИ698-ВД, ЭИ698-П, ЭП741-НП в ОАО «Пермский моторный завод».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования были представлены на Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии обработки материалов, режущий инструмент и оснастка» (Санкт-Петербург, 2002 г.), Международной конференции «Технологии третьего тысячелетия» (Санкт-Петербург, 2003 г.), научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы в металлургии и машиностроении» (Ростов-на-Дону, 2005 г.), научно-технической конференции «Теп-лофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (Тольятти, 2005 г.), Международной научно-технической конференции «Перспективные процессы и технологии в машиностроительном производстве» (Пермь, 2005 г.), Международной научно-технической конференции «Обеспечение и повышение качества машин на этапах жизненного цикла» (Брянск, 2005 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии 2007» (Пермь 2007 г.).

В полном объёме диссертация была заслушана и одобрена на научно-техническом совете ОАО «Пермский моторный завод» и совместном заседании кафедр «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» ПГТУ.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ и 1 патент, в том числе 4 статьи опубликовано в изданиях по списку ВАК.

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Общий объём работы 209 страниц, в том числе 188 машинописного текста, 146 рисунков, 20 таблиц, 127 наименований литературных источников.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель, задачи исследований и научная новизна, кратко излагается содержание работы.

Глава 1 посвящена анализу состояния проблемы технологического обеспечения производительности и качества токарной обработки сложнофасонных поверхностей дисков ГТД канавочными резцами и формированию задач, решение которых необходимо для достижения поставленной цели работы.

Рассмотрены основные технологические проблемы, возникающие при точении дисков турбины (в частности при обработке канавки фланца крепления диска к валу ротора) из жаропрочных никелевых сплавов на ОАО «ПМЗ», и резервы повышения их усталостной прочности.

Раскрыты особенности влияния основных показателей качества поверхности канавок (шероховатости поверхности, наклёпа, остаточных напряжений I рода) на сопротивление усталости дисков ГТД из жаропрочных сплавов, вопросы управления качеством и сопротивлением усталости дисков, которым посвящены работы Безъязычного В.Ф., Макарова А.Д., Силина С.С., Сулимы A.M., Суслова А.Г. и др.

Выделен ряд переменных факторов, возникающих при токарной обработке поверхностей канавки (торцев, дна и радиусов сопряжения между ними) ка-навочными резцами, влияющих на снижение производительности и качества обработки дисков ГТД из жаропрочных сплавов. Приведён анализ различных конструкций напайных канавочных резцов, применяемых на ОАО «ПМЗ», и описаны преимущества высокопроизводительных сборных резцов, оснащённых сменными пластинами из современных марок твёрдого сплава.

Рассмотрены возможные технологические пути повышения усталостной прочности фланца диска турбины высокого давления (ТВ Д).

В заключение первой главы на основании анализа состояния проблемы и выбранного направления исследований сформулированы цель работы и задачи исследований.

Глава 2 посвящена теоретическому исследованию контактных явлений при чистовом точении поверхностей канавки.

Выполнено моделирование схем контактного взаимодействия режущей части канавочного резца с обрабатываемыми поверхностями канавки (торцами, дном и радиусами сопряжения между ними). Рассчитаны геометрические параметры зоны контакта с учётом нестационарности условий обработки, составляющие силы резания и среднеконтактная температура с учётом изменения параметров сечения среза.

При несвободном резании толщина среза определяется в направлении схода стружки. Шириной среза при этом является отрезок, соединяющий концы рабочих участков режущих кромок инструмента (отрезок АВ, рис. 1), и среднее значение толщины среза равно отношению площади среза к его ширине:

где/„ - номинальная площадь поперечного сечения среза; /г ~ площадь сечения гребешков неровностей, образующихся на обработанной поверхности.

При чистовом точении поверхностей канавки - радиусов, дна и торцев канавочным резцом, расчёт параметров сечения среза выполняется по различным расчётным схемам и формулам.

При точении переходного радиуса R методом обката последовательно реализуются две схемы резания:

- на первом этапе в процессе резания участвует радиусная часть главной

режущей кромки резца,

- на втором этапе в зону резания входит и её прямолинейная часть.

Расчётная схема для определения параметров сечения среза на первом

этапе обработки радиуса представлена на рис. 1.

Рис. 1. Расчётная схема к определению параметров сечения среза при точении переходного радиуса канавки радиусной частью режущей кромки

При точении переходного радиуса канавки радиусной частью режущей кромки получены следующие выражения для расчёта: - ширины сечения среза

V

, •[ S(R-r) (t(2R-t) ,

l-sm arcsin--arceos—---arceos -Ь-1-1

2 R 2 Rr {lr{R-r)

- площади сечения среза

, „ d2 . S Jjc . S S{R-r)\

f = St-R arcsm--1-r \ —i-arcsm--arceos—-- +

2 R {2 2 R 2 Rr

/и \ ( ■ S S(R-r)

+ r(R-r Icos arcsm--arceos —-

\ 2 R 2 Rr

- толщины сечения среза

P DJ • S г(я . S S(R-r)\

St-R arcsm — + r — + arcsm--arceos——- +

2R U 2 R 2 Rr

lv \ ( ■ S S{R~r)

+ л Я-Heos arcsm--arceos—---

{. 2 R 2 Rr

d 2

, .( . S S(R-r) (t(2R-t) 1 - sin arcsm--arceos —'-- arceos —--

2 R

2 Rr

2 r(R-r)

-1

- суммарной длины режущей кромки

, (з п- . S S(R-r) (t(2R-t) ,Y| b = r\ — + arcsm--arceos---^-arceos -Ц-4--1 ,

2 2R 2Rr " \2riR-r)

где 5- подача; / - глубина резания; г - радиус вершины резца в плане.

Расчётная схема для определения параметров сечения среза на втором этапе обработки радиуса представлена на рис. 2.

Рис. 2. Расчётная схема к определению параметров сечения среза при точении радиусной и прямолинейной частями режущей кромки

Для определения параметров сечения среза рассчитывался переменный угол изменяющийся в зависимости от перемещения режущей кромки резца относительно обрабатываемого радиуса. Для расчёта рассмотрено два характерных последовательных участка обработки радиуса (рис. 3):

2 3

Рис. 3. Расчётная схема для определения угла

1-2 - в процесс обработки в точке 1 вступает прямолинейная часть / главной режущей кромки,

2-3 - в процессе обработки в точке 2 участвует максимальная длина прямолинейной части / главной режущей кромки.

При точении переходного радиуса канавки радиусной и прямолинейной частями режущей кромки получены следующие выражения для расчёта: • ширины сечения среза

ь, =-

sin^arctg

г sin (ó', +S, +<54)

4гг +1г -rcos(¿, +S¡+Si)J

где

Участок 1-2 Участок 2-3

-я- . S S(R-r) ó, =—+arcsin--arceos—1-- 1 2 2R 2 Rr

¿з=Г—osf'^-^ll^arcsin5... {2r[R-r) j 2R ...arceos 1---—1 l R-r) J 5, = arccosfl---—]-2arcsin—...0 L 1 R~rJ 2R J

3, =arctg-r

(t-R) cosLcsin{R-r]c°^+r+S1) / =-L--LrtgS, cosó3 l = (R-r) siníj

- площади сечения среза

На участке 1-2 площадь сечения среза рассчитывалась из трапеции СЛ2АА3, сегментов ОгА2, ВО,, ВС, А,А и треугольников АСО,А2, АВО,С:

У = 1сА1АА1 ~/вс ~/а,Л + ./дСОИг + /&ВО,С >

где

Vo +0- R + arcsm^7j

/сАглл, --^--; foA = -siníj);

- r2(n . S S(R-r) ( . S S(R-r)

Jan =— —l-arcsm--arceos—--— eos arcsm--arceos—5--

щ 2^2 2 R 2 Rr 2 R 2 Rr

, r2(s ■ S ti S{R-r) .(. . S * S{R-r)\),

fKr =— ó, +arcsm----и arceos—1-¿-sm 8, +arcsm----к arceos—-- 11

BC 2 \ 3 2R 2 2Rr i 3 2R 2 2Rr

, rS{R-r)( ( . S\ (s . S Jt.ca.A, =—тт:—4 eos] arcsm— |-cos| ¿>3 + arcsin—

2R [ { 2R) l 2

i

2

, ¡f (ti S(R - г) 5Л ( . S 5,

Аяпг =r eos —arceos—1-—- -eos arcsm — + —

jlbo¿ ^ 2Rr 2) { 2R 2

. ( SÍR-r) „ . S(R-r) л 5,

■ sin arceos—^-+ 2 arcsm —1-1 — + —

l 2 Rr 2 Rr 2 2

/а , л ~

Jr-'Y

I^T^Í +(l~lJ ^^"^(/-Ocosí^ + arcsin^ 2 arcsin--^77)-

2arcsin

(SiR-r)]2 /, , у -ф-г)/. Г, • ^ ■ +('-'o) -2-v——4/-/0)co^3 +arcsm —

2R

2 (Л-/)

где /0 - длина прямолинейной режущей кромки на предыдущем резе. На участке 2-3:

5

Рис. 4. Расчётная схема для определения площади среза на участке 2-3

У = 1л<А1ААъ + /оВАг ~~ I\ОВА, »

где

ÍÁKA1AA1

foBA,

5(Л-г)2 . . . f . S -V

= —-—sino, -sin arcsm--ho, ;

R 3 { 2 R 3J

r1 (, S(R-r) . ( . S .•)) = —arceos 1--s-'sin arcsm—— + ó3 ;

/ьощ ~

{ rK {

. S

2 R

S(R-r) .

__4-ÍCIl

sin arcsin — +S 2 R

f f, S{R-r) . í . S .Yl)

tg arceos 1—*-'sm arcsin— + ¿>j ;

{ { rR { 2R jj)

- толщины сечения среза

толщина среза определяется как отношение площади/к ширине Ь\ среза;

- суммарной длины режущих кромок

, (я . S s(R-r) ,

b = r\— + arcsm--arceos—--- + o, +/.

{2 2 R 2 Rr J

Расчётные схемы для определения параметров сечения среза при обработке дна и торцев канавки представлены на рис. 5, б.

Рз pt <Pi o\. В, с

Рис. 5. Расчётная схема к определению параметров сечения среза при точении дна и торцев канавки радиусной и прямолинейной частями режущей кромки

При точении дна и торцев канавки радиусной и прямолинейной частями режущей кромки, получены следующие выражения для расчёта: - ширины сечения среза

6,=

. ( rsin(<?, + S. + S, )cos(S, + S,)

sm arctg 7-Л v 1 , --—-V5—/ -\

^ [r-hj-r cos(ó] + S, + é¡t Jcos(í5 + S6)

(. t Л „ „ h. - r(\ - eos <p,)

где S, = arceos 1— , ó¡ S6 = arctg—-^-—;

V r) rsm(z>,

- площади сечения среза

/ = St-Sr + — J 2

r q>, +r arceos

(r - A]' )sinf arctg cos^l)1

r-h, I r smy, )

h[-r{\- cosy), Л

r sinp, J

cos <p¡ + arctg

где й,' = r(l - cos <p,)+sin (Э, [s cos - ^/S sin p, (2r - S sin <px)); - толщины сечения среза

o, =St-Sr + -1 2

2 2 /i,

г <px + r arceos-- + r-

r

(r - /г, )siníarctg ~ C°S

rsinp, J

h¡ -r(l-cosp,))

eos <p. + arctg—-5-—

/•sinp, j

ziní aretg Г f"^2 + ^ + ^ + ) ^ (r - /¡J)- r cos(<52 + S¡ + <J6 )cos(<S5 + S6)

- суммарной длины режущих кромок

Ъ = rj^arcco:

■И)

+?l 1+ и

sinp,

Рис. 6. Расчётная схема к определению параметров среза при точении радиусной и прямолинейными частями режущей кромки

где при точении дна; <р'=<р-^ при точении торца.

При точении дна и торцев канавки радиусной и прямолинейными частями режущей кромки, получены следующие выражения для расчёта: - ширины сечения среза

cos arctg-5-— I sin

rcos^»'

r sinfó, +S5+S6 )cos(S} + t>6) f - r(l + simyi')"

arctg-

M)-

arctg-

r cosp'

r cos(<J2 + S5 + S6 )cos(<J5 +156) / - r(l + sin <p')

я я- i /-r(l + sm©) с r

где = — + p'+arctg-i-, <J5 = д, <J6 = arctg

2 r cos tp

cos arctg-

reos <p' A,' -/•(l-cos(»1)-r sinf>, '

- площади сечения среза

f = St ~Sr + — 2

2 2

r p. + r arccos-- + r

r

rsin^i

cosj^, + arctg

rsmp,

- толщина сечения среза

толщина среза определяется как отношение площади/к ширине b¡ среза;

- суммарной длины режущих кромок

cos р' sin р,

С учётом изменения параметров сечения среза при обработке поверхностей канавки рассчитывались составляющие силы резания Р„ Ру, Рг по методи-

ке Безъязычного В.Ф. и среднеконтактная температура резания по методике Резникова А.Н.

Полученные математические зависимости являются основой для прогнозирования и управления основными выходными характеристиками обработки, а также назначения оптимальных технологических условий при чистовом точении поверхностей канавки.

Глава 3 посвящена прогнозированию и расчёту шероховатости при чистовом точении поверхностей канавки фланца диска ГТД.

Выполнен расчёт высотного параметра шероховатости Яа при чистовом точении поверхностей канавки на примере обработки внутренней канавки во фланце диска турбины высокого давления (ТВД).

Систематическая составляющая профиля шероховатости Яг при точении определяется равенством:

& = /1|+Л2 + йз+/г4,

где И2, Иг, /г4 - составляющие профиля шероховатости, соответственно обусловленные геометрией и кинематикой перемещения режущей части инструмента, колебаниями инструмента относительно обрабатываемой поверхности, пластическими деформациями материала в зоне контакта с инструментом, шероховатостью рабочих поверхностей инструмента.

Рис. 7. Схема для расчёта высоты микронеровностей при точении переходного радиуса R канавки методом обката

Получено следующее выражение для определения высоты микронеровностей при точении радиуса канавки:

cos /

К S

Vе jf\

/Л в 1С r D\

/ Г\

W

0

Рис. 8. Схема для расчёта высоты микронеровностей при точении дна и торца канавки

Получено следующее выражение для определения высоты микронеровностей при точении дна и торца канавки:

г (l - cos q>x) + sin tpx (s cos <px - д/S sin <px (2r - S sin q>x))

'h = > cosy

где у- передний угол; (р\- вспомогательный угол в плане резца при точении Р12

торца; <рх = —--угол разворота резца при точении дна; / - длина вылета резца;

3 EJ

Е - модуль упругости державки резца; J- осевой момент инерции.

Составляющая профиля шероховатости h2 определяется амплитудой колебаний вершины резца относительно обрабатываемой поверхности. При точении фланца диска ТВД получено следующее выражение для расчёта й2:

Иг =900Ру/

900£/Р„

Ор, -x^+ixj+x^-Хх1

6 4 ' " 2 ;rVm(4752g2 + 37170?/, + 12Цг1х] 315(8(3 + 3?/,)2

ХД

где а - расстояние от заделки до точки приложения силы Ру\

г,_ ,„ kl_a i

—Г7-г; к = —: 1\ и /-

2к1г(к + \)' 1

хх=зру ЫТ\ ' ' 2к1г(к+\)

. у _ Р/7г 6k2l-4ka + ui-a . ,

> 2 -"»« -„, 1.3 /,-7\-> Л3 -Л,а "

2 ' 2*3/3(* + 1) размеры фланца; п -число оборотов детали; Е - модуль упругости обрабатываемого материала; т - масса стержня; 2 - вес груза; д - погонный вес стержня.

Составляющая И3 при точении поверхностей канавки рассчитывается по следующим выражениям:

Обрабатываемая поверхность канавки Условия обработки Расчётные формулы

Переходный радиус R (рис. 7) S S <р > arcsin— и а > arcsin— 2 г 2 г д 6fj25 + 0 Ь 32 г

Дно, торец (рис. 8) S S <р > arcsin— и <рх < arcsin— 2 г 2 г tm s

где Ъсдв - величина пластического оттеснения:

,=0,5 А

I —

Р\ - радиус скругления режущей кромки резца; тр - предел сопротивления обрабатываемого материала пластическому сдвигу; ат - предел текучести при растяжении.

Составляющая профиля шероховатости А4 при лезвийной обработке определяется средней высотой профиля шероховатости на вершине резца, т.е. к4=Кгер, и зависит от технологии заточки и режимов резания. При использовании мелкозернистых твёрдых сплавов с хорошим качеством заточки при чистовом точении величина Кгер не превышает 20% от И].

В результате анализа полученных расчётных данных установлено, что наибольший вклад в формирование шероховатости при чистовом точении поверхностей канавки вносит составляющая к\. Степень влияния остальных составляющих в сравнении с к\ следующая /г1:/!2:/гз'./г4=1:0,1:0,01:0Д. Так как /г2 и И} не превышают 10%, то при расчёте высоты микронеровностей Иг их можно не учитывать, тогда:

- при точении переходного радиуса

I \i le-i-i^

S(R-r)V ч ( . S \

—*-—\R — ricos arcsin-

i -(R~r)cos arcsin- , ' - ^ J 1

cosy

- при точении дна и торца

r(l - cos (з,)+sin р, (s cos <Pj - ^S sin (2r - S sin ip,))

Rz =-+ .

cosy

При лезвийной обработке Ra=0,2Rz.

На основе полученных выражений для расчёта hi определена рациональная подача SK при чистовом точении поверхностей канавки (патент РФ №2303504, В23В1/00,24.08.2005):

- при точении переходного радиуса/?

_ Л-^/й, cos ^(А, cos / - 2j?X2Ai cos Tr ~ 4Rr - tf cos T1 + 4r2) R2 +A, cosy(R-r)~Rr '

- при точении дна и торца

•у/й, cos у sin2 (2r - A, cos у) + г + cos fz>, (A, cos у-г)

ок —-.

sin

Полученные аналитические выражения служат основой для разработки методики назначения технологических условий обработки, обеспечивающих заданные параметры шероховатости поверхности при чистовом точении поверхностей канавки во фланце диска турбины.

В главе 4 рассмотрены технологические возможности процесса чистового точения канавочными резцами.

Приведено описание методик экспериментального исследования составляющих силы резания, среднеконтактной и оптимальной температуры резания, износостойкости твердосплавных пластин, показателей качества поверхности. Представлены оборудование, режущий инструмент и контрольно-измерительная аппаратура для измерения составляющих силы резания, средне-контактной температуры и показателей качества поверхности. Приведены методики планирования экспериментов, обработки экспериментальных данных и их проверки на адекватность по критерию Фишера.

Экспериментальные исследования процесса чистового точения канавоч-ным резцом проводились на станке с ЧПУ МО\У-2()8 при обработке дисков ТВД и на токарно-винторезном станке 1К62Д при торцевом точении цилиндрических образцов ¿£=140 мм, /=40 мм из жаропрочного сплава ЭИ698-ВД.

При постановке экспериментов были приняты следующие диапазоны изменения технологических условий обработки: скорость резания V-25-52 м/мин; подача 5=0,07-0,15 мм/об; глубина резания /=0,1-0,5 мм; величина износа по задней поверхности режущей пластины к3=0,15-0,3 мм.

При исследованиях использовались импортные сборные канавочные резцы, оснащённые твердосплавными пластинами с износостойкими покрытиями: державка ИР123К1б-3232ВМ, пластина Ш23К2-0600-0004-ТТ 1005.

Установлены экспериментальные зависимости между составляющими силы резания, среднеконтактной температуры и технологическими условиями токарной обработки:

„8,02 гг 0,827 ,1,5 т/0,3231п»,-0,072-0,18б1л 5 р г» 1,114 0,264 ь<!,038 ^0,151п4,-0,397-0,2291п5 р _ е ' " у_

гх-е -о ч ■п, ■у , гу - п ,

з

е»,266 _ ^0,908 ^ ^0,569 _ ргО,174|пЛ,-О,216-0,151п5 ^4.033 _ р-ОЯб+О.ИпЯ ^ ^о.ш _ ^0,251

^0,062 ' ^ £0,28 '

После разрешения выражения для в относительно скорости резания V и подстановки вместо значения среднеконтактной температуры резания оптимальной в0, получено выражение для определения оптимальной скорости У0 по критерию максимальной стойкости инструмента:

К = ехР

о0,28

ш,п-шг-в0

о ,0,114 1.Ч.2Я

250. 4

■219 + 251п5

Установлены экспериментальные зависимости между стойкостью режущего инструмента, показателями качества поверхности (шероховатостью, сте-

пенью наклёпа, максимальными остаточными напряжениями растяжения) и технологическими условиями токарной обработки:

^ 1,636+2,066 !п (+1,7561п 5+1,171 |п 51л/

8.943 _ £0,314 ,0.21

N ='

у1,247+0,6|пА, —.. ^

Глава 5 посвящена практическому применению результатов исследования.

На основе теоретических и экспериментальных исследований построена модель и разработан алгоритм технологического обеспечения качества при чистовом точении поверхностей канавки в дисках ГТД (рис. 9). На базе алгоритма создано программное обеспечение, которое позволяет определить оптимальные параметры режима точения, обеспечивающие заданные показатели качества поверхности.

Результаты расчёта на примере чистового точения внутренней канавки во фланце диска ТВД из жаропрочного сплава ЭИ698-ВД сборным канавочным резцом (державка КР123Ш6-3232ВМ, пластина №23К2-0600-0004-ТР 1005) представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты расчёта оптимальных параметров режима резания и

16,6 уО.УПЫ ,£5.06+0,8511115 ,^0,104

р-5,72 _ ^».347 '

е3,192 _ уО.Ш .£<0,238 ,0.105 '

Обрабатываемая поверхность канавки Скорость резания У0, м/мнн Подача 50, мм/об Глубина резания /, мм Пара пове метры качества рхностного слоя

йа, мкм А', % о-«™ МПа

Переходный радиус Л: Я=3,5 мм й=2,5 мм 50 0,09 0,1 0,72 0,68 14,63 901,36

Дно 45 0,15 0,39 18,15 974,03

Торец 1,36

В табл. 2 приведены сравнительные данные по режимам резания, применяемым при чистовом точении поверхностей внутренней канавки во фланце диска ТВД II ступени напайным резцом 4.2128-10630.0 ВКЮХОМ (серийный вариант) и сборным - державка КР123Ш6-3232ВМ, пластина N123X2-0600-0004-ТБ 1005 (новый вариант).

Таблица 2

Сравнительная оценка серийного и нового вариантов _точения поверхностей канавки_

Обрабатываемая поверхность канавки Режущий инструмент Скорость резания V, м/мин Подача 5, мм/об Глубина резания 1, мм Те, мин

Переходный радиус Я: Я=3,5 мм, Д=2,5 мм Напайной резец: 4.2128-10630.0 ВКЮХОМ 20 0,038-0,063 0,05 23

Дно и торец 0,063

Переходный радиус Я: Л=3,5 мм, Л=2,5 мм Сборный резец: ЮТ231иб-3232ВМ, N123 К2-0600-0004-ТР 1005 50 0,09 0,1 7

Дно и торец 45 0,15

( начало )

Рис. 9. Алгоритм расчёта оптимальных режимов резания при чистовом точении поверхностей канавки

Из табл. 2 видно, что внедрение сборных канавочных резцов с применением параметров режима резания, рассчитанных по оптимизационной модели технологического управления качеством, снизило время обработки внутренней канавки фланца с 23 минут до 7 минут, что обеспечило снижение основного времени обработки в 3,3 раза.

Сравнительные исследования параметров качества поверхностного слоя при чистовом точении напайным резцом (серийный вариант) и сборным (новый вариант), на примере обработки торца канавки, представлены на рис. 10.

Серийный Новый Серийный Новый

вариант вариант вариант вариант

а) б)

а) параметр шероховатости Яа, б) степень наклёпа N Рис. 10. Параметры качества при чистовой токарной обработке торца канавки по серийному и новому варианту

Из гистограмм видно, что обработка по серийному и новому варианту обеспечивает требуемую шероховатость поверхности, но при серийном варианте шероховатость меньше требуемой по чертежу, что объясняется применением подачи ниже оптимальной. Глубина и степень наклёпа поверхности, обработанной по расчётным режимам резания, меньше, чем на серийных режимах, что при эксплуатации благоприятно скажется на усталостной прочности.

Приложение включает документы о внедрении результатов работы в производство.

Основные результаты и выводы

1. На основе моделирования схем контактного взаимодействия режущей части канавочного резца с обрабатываемыми поверхностями канавки (торцами, дном и радиусами сопряжения между ними) и расчёта геометрических параметров зоны контакта с учётом нестационарности условий обработки впервые выполнено прогнозирование и даны рекомендации по управлению основными функциональными и выходными характеристиками процесса чистового точения, а также назначению оптимальных технологических условий обработки.

2. Получены аналитические выражения для описания основных контактных явлений в зоне резания (силовых и температурных) с учётом изменения параметров сечения среза. Выполнен расчёт составляющих силы резания и

среднеконтактной температуры резания в зависимости от технологических условий обработки.

3. Получено расчётное выражение для определения оптимальной скорости резания по оптимальной температуре резания при чистовом точении поверхностей канавки, обеспечивающей максимальную стойкость инструмента.

4. Получены аналитические выражения для расчёта высотного параметра шероховатости Ra при чистовом точении поверхностей канавки, в том числе переходных радиусов методом обката, с учётом изменения жёсткости по длине фланца диска ГТД. Выполнен расчёт параметра шероховатости Ra в зависимости от технологических условий обработки.

Предложен способ определения рациональной подачи при чистовом точении поверхностей канавки. Новизна предложенного технического решения защищена патентом РФ.

5. Выполнено комплексное экспериментальное исследование функциональных (составляющих силы резания, среднеконтактной температуры) и выходных (шероховатости, степени наклёпа, максимальных остаточных напряжений I рода) характеристик процесса чистового точения канавочным резцом. Выявлены экспериментальные взаимосвязи функциональных, выходных параметров, а также стойкости канавочного резца с технологическими условиями обработки при чистовом точении жаропрочного никелевого сплава. Результаты исследований подтвердили достоверность полученных аналитических расчётных выражений с относительной погрешностью по составляющим силы резания- 10-15 %, среднеконтактной температуре - 15-25 %, по параметру шероховатости Ra -10-15 %.

6. На основе теоретических и экспериментальных исследований создана комплексная оптимизационная модель технологического управления показателями качества поверхности при чистовом точении канавок в турбинных дисках из жаропрочных никелевых сплавов, позволяющая установить пути повышения производительности обработки. На основе полученной модели разработан ел- . горитм и программное обеспечение для определения оптимальных параметров режима резания при чистовом точении канавочным резцом.

7. Результаты работы внедрены в виде технологических рекомендаций по назначению режимов обработки при чистовом точении канавочными резцами турбинных дисков из жаропрочных никелевых сплавов ЭИ698-ВД, ЭИ698-П, ЭИ741-НП в ОАО «Пермский моторный завод». Практическая реализация результатов исследований позволила повысить производительность обработки в 3,3 раза при обеспечении требуемой точности и качества поверхностей канавки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Евстафьев H.H., Кириллова A.A., Макаров В.Ф. Исследование динамики процесса резания канавочными резцами с МНСТП. // Инструмент и технологии: сб. труд. межд. науч.-практ. конф. «Прогрессивные технологии обработки материалов, режущий инструмент и оснастка». - С.-Петербург, 2002. С. 136140.

2. Евстафьев H.H., Фирулёва Н.В., Кириллова A.A., Новиков Д.Н., Макаров В.Ф. Интенсификация процессов токарной обработки труднообрабатываемых материалов на опыте применения новых видов режущего инструмента. // Инструмент и технологии: сб. труд. межд. конф. «Технологии третьего тысячелетия». - С.-Петербург, 2003. С. 156-158.

3. Кириллова A.A., Свирщёв В.И., Макаров В.Ф. Влияние технологических условий обработки на качество поверхности при чистовом точении кана-вочным резцом. // Обеспечение и повышение качества машин на этапах жизненного цикла: Материалы 5-й межд. науч.-техн. конф. - Брянск: БГТУ, 2005. -С. 192-193.

4. Кириллова A.A., Свирщёв В.И., Макаров В.Ф. Расчёт параметров сечения среза при чистовом точении канавочными резцами. // Прогрессивные технологические процессы в металлургии и машиностроении: сб. труд, науч.-техн. конф. - Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2005. - С. 173-176.

5. Кириллова A.A., Свирщёв В.И., Макаров В.Ф. Определение оптимальной подачи при чистовом точении дисков турбин канавочными резцами. // Теп-лофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: сб. труд, науч.-техн. конф. - Тольятти, 2005. - С. 257-259.

6. Кириллова A.A., Свирщёв В.И., Макаров В.Ф. Влияние технологических условий обработки на качество поверхности при точении дисков ГТД. И Перспективные процессы и технологии в машиностроительном производстве: тезисы докладов межд. науч.-техн. конф. - Пермь: ПГТУ, 2005. - С. 39-42.

7. Кириллова A.A., Свирщёв В.И., Макаров В.Ф. Исследование нестационарности процесса точения дисков ГТД канавочными резцами. // Перспективные процессы и технологии в машиностроительном производстве: тезисы докладов междунар. науч.-техн. конф. - Пермь: ПГТУ, 2005. - С. 42-45.

8. Кириллова A.A., Свирщёв В.И., Макаров В.Ф. Определение параметров сечения среза при обработке дисков турбины канавочными резцами. // СТИН. -

2006. - №8. - С. 35-37.

9. Кириллова A.A., Свирщёв В.И., Макаров В.Ф. Исследование влияния нестационарности процесса токарной обработки дисков турбины канавочными резцами на изменение параметров сечения среза. П СТИН. - 2006. - №10. -С. 36-38.

10. Кириллова A.A., Свирщёв В.И., Макаров В.Ф. Оптимальная подача при чистовом точении дисков турбин. // СТИН. - 2007. - №2. - С. 37-39.

11. Кириллова A.A., Свирщёв В.И., Макаров В.Ф. Влияние жёсткости ка-навочного резца на качество поверхности при продольном точении. // СТИН. -

2007.-№4.-С. 12-14.

12. Патент РФ. №2303504. Кл. В23В 1/00. Способ определения оптимальной подачи при токарной обработке. / Кириллов А.Ю., Кириллова A.A., Свирщёв В.И. №20051267775/02. Заявл. 24.08.2005. Опубл. 27.07.2007. Бюл. №21.

Подписано в печать 27.04.2009. Формат 60x90/16. Набор компьютерный. Тираж 100 экз. Объём 1,0 уч-изд. п.л. Заказ № 875/2009.

Издательство

Пермского государственного технического университета 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к.113.. тел. (342) 219-80-33

ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ДИСКОВ ГТД.

1.1. Анализ дефектов, возникающих при точении дисков ГТД из жаропрочных сплавов, и резервы повышения их усталостной прочности.

1.1.1. Дефекты дисков турбины и причины их образования.

1.1.2. Анализ причин образования трещин во фланце диска турбины.

1.1.3. Анализ типового технологического процесса изготовления диска ТВД.

1.2. Влияние параметров качества обработки поверхностей на эксплуатационные характеристики деталей ГТД из жаропрочных сплавов.

1.3. Анализ особенностей конструкции канавочных резцов.

1.3.1. Анализ конструкций напайных канавочных резцов, применяемых на ОАО «ПМЗ».

1.3.2. Преимущества высокопроизводительных конструкций сборных канавочных резцов.

1.4. Технологические пути повышения усталостной прочности фланца диска ГТД.

1.5. Выводы, постановка цели и задач исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ ЧИСТОВОМ ТОЧЕНИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАНАВКИ.

2.1. Определение геометрических параметров сечения среза при чистовом точении поверхностей канавки.

2.1.1. Определение геометрических параметров сечения среза при точении переходного радиуса канавки.

2.1.2. Определение геометрических параметров сечения среза при точении дна и торцев канавки.

2.1.3. Сравнительная оценка параметров сечения среза при обработке поверхностей канавки.

2.2. Постановка задачи и расчёт составляющих силы резания при точении.

2.3. Постановка задачи и расчёт температуры резания при точении

2.3.1. Расчёт среднеконтактной температуры резания.

2.3.2. Расчёт оптимальной температуры резания.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ШЕРОХОВАТОСТИ

ПРИ ЧИСТОВОМ ТОЧЕНИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАНАВКИ

ФЛАНЦА ДИСКА ГТД.

3.1. Расчёт шероховатости при точении поверхностей канавки.

3.1.1. Расчёт составляющей профиля шероховатости, обусловленной геометрией режущей части резца и кинематикой его рабочего движения.

3.1.2. Расчёт вспомогательного угла в плане при точении дна канавки.

3.1.3. Расчёт составляющей профиля шероховатости, обусловленной колебательными перемещениями резца относительно обрабатываемой поверхности.

3.1.4. Расчёт составляющей профиля шероховатости, обусловленной пластическими деформациями материала в зоне контакта с инструментом.

3.1.5. Расчёт составляющей профиля шероховатости, обусловленной шероховатостью рабочих поверхностей инструмента

3.1.6. Расчёт высотного параметра шероховатости Ra при точении поверхностей канавки.

3.2. Определение рациональной подачи при точении поверхностей канавки.

3.3. Выводы.

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОЦЕССА

ЧИСТОВОГО ТОЧЕНИЯ КАНАВОЧНЫМИ РЕЗЦАМИ.

4.1. Методика проведения экспериментальных исследований.

4.1.1. Оборудование и инструмент.

4.1.2. Исследуемые материалы и образцы.

4.1.3. Измерительная аппаратура.

4.1.4. Исследуемые факторы и условия проведения экспериментов

4.1.5. Частные методики проведения экспериментов.

4.1.5.1. Методика измерения составляющих силы резания.

4.1.5.2. Методика измерения среднеконтактной температуры резания.

4.1.5.3. Методика определения оптимальной температуры резания

4.1.5.4. Методика исследования износостойкости твердосплавных пластин.

4.1.5.5. Методика исследования качества поверхностного слоя образцов.

4.2. Математическая обработка результатов исследований.

4.3. Экспериментальное исследование силовых и температурных характеристик процесса точения.

4.3.1. Силовые характеристики процесса.

4.3.2. Температурные характеристики процесса.

4.4. Экспериментальное определение оптимальной температуры и оптимальной скорости резания.

4.5. Зависимость стойкости режущего инструмента от технологических условий обработки.•.

4.6. Зависимость параметров качества поверхностного слоя от технологических условий обработки.

4.7. Выводы.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Построение математической модели технологического управления качеством поверхностного слоя при чистовом точении поверхностей канавки в дисках ГТД.

5.2. Алгоритм программы для определения оптимальных режимов резания при чистовом точении поверхностей канавки.

5.3. Технологические условия чистового точения поверхностей канавки, определённые с помощью оптимизационной модели.

5.4. Выводы.

Обработка металлов резанием является основным способом изготовления деталей машин и механизмов в силу таких своих существенных преимуществ перед другими видами обработки, как универсальность, малая энергоемкость, простота реализации, технологическая маневренность, высокая производительность, возможность обработки деталей любой формы и размеров с высокой точностью и качеством, обеспечивающим требуемые эксплуатационные характеристики машин.

Современное развитие науки о резании связано с созданием новых высокоэффективных, конкурентоспособных машин и механизмов, имеющих более высокие эксплуатационные характеристики. Сегодня это наиболее актуально для такого особого класса сложнейших машин, к которому относятся газотурбинные двигатели (ГТД) для авиации, наземных энергетических и газоперекачивающих установок.

В процессе эксплуатации большинство деталей и узлов ГТД испытывает высокое тепловое воздействие о г газового потока, значительные статические, динамические, вибрационные нагрузки, влияние агрессивных сред. Поэтому для обеспечения высокой прочности и долговечности деталей ГТД применяют специальные сложнолегированные высокопрочные стали и сплавы, достаточно сложные прецизионные конструктивные формы деталей, что, в свою очередь, требует разработки и применения сложных и трудоёмких технологических процессов, выработки научно-обоснованных технологических рекомендаций по выбору оптимальных режимов резания, конструкции и геометрии режущих лезвий инструмента.

Производство новых современных конкурентоспособных ГТД, работающих в более высоких термодинамических условиях, предусматривает применение новых труднообрабатываемых материалов, что значительно увеличивает затраты производства на механическую обработку деталей резанием. Трудоемкость обработки резанием при производстве деталей ГТД составляет более 60% от общей трудоемкости [81]. В процессе механической обработки деталей помимо видоизменения формы и размеров заготовки происходит формирование особых свойств поверхностного слоя, его макро- и микроструктуры, что непосредственным образом влияет на усталостную прочность, долговечность деталей и, в конечном счёте, на надёжность и ресурс работы двигателя.

Окончательное формирование основных параметров качества поверхностного слоя и усталостной прочности деталей ГТД происходит на чистовых операциях механической обработки, к которым относятся и процессы точения.

В настоящей работе в качестве объекта исследований выбраны особо ответственные, определяющие ресурс двигателя, тяжелонагруженные в условиях эксплуатации детали авиационных двигателей — диски газовых турбин. Разрушение дисков приводит, как правило, к отказу двигателя с опасными последствиями, поэтому к их изготовлению предъявляются повышенные требования.

Точение - один из самых распространённых и освоенных процессов. Несмотря на это токарная обработка дисков турбин является наиболее трудоёмкой частью технологического процесса и всегда вызывает определённые трудности, так как труднообрабатываемые жаропрочные сплавы, из которых изготавливаются диски, обладают особыми физико-механическими свойствами (коррозионной стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью и высокой прочностью) и характеризуются низким коэффициентом обрабатываемости резанием.

Кроме того, диски турбин являются сложнофасонными деталями с множеством различных труднодоступных для обработки поверхностей (карманов, канавок, уступов, выточек, лабиринтных уплотнений и т.д.). К числу таких поверхностей относится внутренняя канавка во фланце крепления диска к валу ротора.

В настоящее время токарная обработка канавок выполняется канавоч-ными резцами с напаянными пластинами из твёрдого сплава. Из-за весьма низкой стойкости этих резцов, недостаточной производительности, неудовлетворительного качества обработанных поверхностей, операции обработки канавок являются узким местом при производстве турбинных дисков.

Продолжительное время основными наиболее освоенными инструментальными материалами являлись твердые сплавы отечественного производства ВК8, ВКЮХОМ и др. Однако с созданием новых жаропрочных сплавов с повышенными физико-механическими характеристиками потребовалось освоение и внедрение твёрдых сплавов с более высокими прочностными показателями, износостойкостью и теплостойкостью.

Процесс токарной обработки с применением канавочных резцов является малоизученным процессом механической обработки. Фундаментальные работы в области лезвийной обработки Безъязычного В. Ф., Клушина М. И., Макарова А. Д., Резникова А. Н., Силина С. С., Сулимы А. М., Суслова А. Г. и других учёных позволили более углублённо изучить природу формирования параметров качества поверхностного слоя при точении дисков ГТД из жаропрочных сплавов канавочными резцами.

Системный анализ процесса контурного точения канавок канавочными резцами позволил выделить ряд переменных при обработке факторов: изменяющиеся параметры сечения среза, нарастающий износ инструмента, различие в жёсткости технологической системы на разных участках обрабатываемой поверхности, изменение направления и точки приложения вектора силы резания.

Вследствие наличия вышеуказанных переменных условий, а также склонности к появлению вибраций из-за недостаточной жёсткости режущей части резца, ухудшается качество обработанных поверхностей.

Поэтому, одной из актуальных задач является изучение процесса чистового точения канавочными резцами с целью повышения качества и точности обработки поверхностей канавки (торцев, дна и радиусов сопряэюения между ними) в турбинных дисках.

Таким образом, путём назначения управляемых параметров режима резания, обеспечивающих получение заданных параметров качества, можно исключить дополнительные доводочные операции и повысить производительность обработки.

Цель работы — технологическое обеспечение показателей качества при чистовой токарной обработке канавочных поверхностей дисков ГТД из жаропрочных сплавов на основе моделирования схем контактного взаимодействия резца и заготовки в условиях нестационарности процесса резания.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ технологических проблем обеспечения показателей качества поверхности и усталостной прочности при точении внутренней канавки во фланце крепления диска к валу ротора твердосплавными канавоч-ными резцами.

2. Выполнить моделирование схем контактного взаимодействия режущей части канавочного резца с обрабатываемыми поверхностями канавки.

3. Выполнить теоретическое и экспериментальное исследования взаимосвязей составляющих силы резания, среднеконтактной температуры, показателей качества поверхности и стойкости резцов с технологическими условиями токарной обработки.

4. Разработать способ определения рациональной подачи при чистовом точении поверхностей канавки.

5. Разработать математическую модель технологического управления показателями качества поверхности при токарной обработке поверхностей канавки с учётом изменяющихся технологических условий.

6. Создать алгоритм и прикладную программу для определения оптимальных параметров режима резания при чистовом точении канавок фланцев турбинных дисков.

Научная новизна работы. Разработана комплексная математическая модель технологического управления показателями качества поверхности при чистовом точении канавок во фланцах турбинных дисков из жаропрочных сплавов с учётом нестационарности условий обработки. В том числе:

- выполнено моделирование и аналитически описаны различные схемы контактного взаимодействия режущей части канавочного резца с обрабатываемыми поверхностями канавки в условиях нестационарного резания;

- установлены основные закономерности и взаимосвязи составляющих силы резания, среднеконтактной температуры, показателей качества поверхности (шероховатости, максимальных остаточных напряжений I рода, глубины и степени наклёпа) и стойкости канавочных резцов с технологическими условиями чистового точения жаропрочных сплавов;

- разработан способ определения рациональной подачи при чистовом точении поверхностей канавки (патент РФ №2303504, В23В1/00, 24.08.2005).

Практическая ценность работы:

- разработана прикладная программа оптимизации параметров режима чистового точения поверхностей канавки фланцев турбинных дисков;

- обеспечено повышение производительности токарной обработки поверхностей канавки за счёт применения сборных канавочных резцов, оснащённых твердосплавными пластинами с износостойкими покрытиями, и оптимальных режимов резания.

В первой главе рассмотрены основные технологические проблемы, возникающие при токарной обработке дисков турбины (в частности при обработке канавочным резцом фланца крепления диска к валу ротора) из жаропрочных никелевых сплавов на ОАО «Пермский моторный завод» (ОАО «ПМЗ»), и резервы повышения их усталостной прочности. Раскрыты особенности влияния основных показателей качества поверхности (шероховатости, наклёпа, остаточных напряжений I рода) на сопротивление усталости деталей ГТД из жаропрочных сплавов. Приведён анализ различных конструкций на-пайных канавочных резцов, применяемых на ОАО «ПМЗ», и описаны преимущества высокопроизводительных сборных резцов, оснащённых сменными неперетачиваемыми пластинами из современных марок твёрдого сплава. Рассмотрены возможные технологические пути по повышению усталостной прочности фланца диска турбины высокого давления (ТВД). В заключение первой главы на основании анализа состояния проблемы и выбранного направления ставятся цель работы и задачи исследования.

Во второй главе приводится моделирование схем контактного взаимодействия режущей части канавочного резца с обрабатываемыми поверхностями канавки для определения параметров сечения среза, а также расчёт составляющих силы резания и среднеконтактной температуры.

Третья глава посвящена расчётному определению параметра шероховатости Ra при чистовом точении поверхностей внутренней канавки фланца диска в зависимости от геометрии режущей части канавочного резца, режимов резания и жёсткости фланца. Приведены выражения для определения рациональной подачи при чистовом точении поверхностей канавки.

В четвёртой главе представлены оборудование, режущий инструмент, контрольно-измерительная аппаратура для измерения составляющих силы резания, среднеконтактной температуры и показателей качества поверхности. Описаны методики проведения экспериментальных исследований функциональных характеристик процесса чистового точения, показателей качества обработанной поверхности и износостойкости канавочных резцов. Приведены методики планирования экспериментов, обработки экспериментальных данных и их проверки на адекватность.

Представлены экспериментальные модели взаимосвязей составляющих силы резания, среднеконтактной температуры, оптимальной скорости резания, стойкости резцов и показателей качества поверхности с технологическими условиями обработки. Приведена проверка теоретических моделей расчёта составляющих силы резания, среднеконтактной и оптимальной температуры, оптимальной скорости резания и шероховатости обработанной поверхности.

В пятой главе представлена математическая модель технологического управления качеством поверхности при чистовом точении канавки во фланце диска турбины канавочным резцом, построенная на базе теоретических и экспериментальных исследований, и алгоритм работы прикладной программы для определения оптимальных режимов резания. Приведена технологическая эффективность производственной реализации результатов исследований.

Исследования, результаты которых изложены в диссертации, проводились в рамках научно-исследовательских работ.

Основные положения диссертации докладывались в 2003-2007г.г. на международных, республиканских, межвузовских конференциях и семинарах. Основное содержание работы опубликовано в 11 статьях и патенте Российской Федерации.

7. Результаты работы внедрены в виде технологических рекомендаций по назначению режимов обработки при чистовом точении канавочными резцами турбинных дисков из жаропрочных никелевых сплавов ЭИ698-ВД, ЭИ698-П, ЭП741-НП в ОАО «Пермский моторный завод». Практическая реализация результатов исследований позволила повысить производительность обработки в 3,3 раза при обеспечении требуемой точности и качества поверхностей канавки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведённого комплекса исследований осуществлено теоретическое и практическое решение актуальной технической и производственной проблемы повышения производительности и обеспечения качества обработки при чистовом точении канавок канавочными резцами в турбинных дисках из жаропрочных никелевых сплавов.

1. Аверченков В. И. Оптимизация технологических процессов в САПР ТП. Учебно-методическое пособие. Брянск: БИТМ, 1987. - 108 с.

2. Авиационные материалы. Справочник. В 9-и т. Т. 3: Жаропрочные стали и сплавы. Сплавы на основе тугоплавких металлов. Часть 1: Деформируемые жаропрочные стали и сплавы. / Под ред. Р. Е. Шалина. М.: ОНТИ, 1989.-560 с.

3. Агамиров JI. В. Сопротивление материалов. М.: ACT, 2003.256 с.

4. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. - 279 с.

5. Александров А. В., Потапов В. Д., Державин Б. П. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1995. - 560 с.

6. Андреев В. Н. Совершенствование режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1993. - 240 с.

7. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. Т. 1. / Под ред. И. Н. Жестковой. М.: Машиностроение, 2001. - 920 с.

8. А. С. №1468721 СССР. М. Кл. B24B3/34. Способ заточки задних поверхностей и радиуса при вершине прорезных резцов. / Доронин В. П., Доронин Ю. В. №4238901/40-08. Заявл. 29.04.87. Опубл. 30.03.89. Бюл. №12.

9. Баженов М. Ф., Бейчман С. Г., Карпачёв Д. Г. Твёрдые сплавы. Справочник. — М.: Металлургия, 1978. 184 с.

10. Башков В. М., Кацев П. Г. Испытания режущего инструмента на стойкость. -М.: Машиностроение, 1985. 136 с.

11. Безъязычный В. Ф. Расчёт режимов резания с использованием ЭВМ: Учебное пособие. Рыбинск: РГАТА, 2000. - 130 с.

12. Безъязычный В. Ф. Влияние качества поверхностного слоя после механической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин. // Приложение. Справочник. Инженерный журнал. 2001. - №4. - С. 9-16.

13. Безъязычный В. Ф., Шарова Т. В., Мищенко JI. А. Расчёт режимов резания в курсовом и дипломном проектировании с использованием электронно-вычислительных машин. Учебное пособие. Ярославль: ЯПИ, 1983. -86 с.

14. Белоусов А. И., Бобрик П. И., Рахман-Заде А. 3., Силин С. С. Тепловые явления и обрабатываемость резанием авиационных материалов. М.: Машиностроение, 1966. - 179 с.

15. Биргер И. А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1968. - 459 с.

16. Блюмберг В. А., Зазерский Е. И. Справочник токаря. Л.: Машиностроение, 1981.- 406 с.

17. Бобров В. Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975.-343 с.

18. Бруштейн Б. Е., Дементьев В. И. Токарное дело. М.: Высшая школа, 1967.-448 с.

19. Васин С. А., Верещака А. Н., Кушнер В. С. Резание материалов. Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. - 448 с.

20. Великанов К. М., Новожилов В. И. Экономические режимы резания металлов. Л.: Машиностроение, 1972. — 119 с.

21. Гаврилов В. А., Гребень В. Г. Оптимизация режимов резания при точении нежёстких валов. // Технология машиностроения. 2006. - №1. -С. 16-19.

22. Гильман А. М., Брахман Л. А., Батищев Д. И. Оптимизация режимов резания на металлорежущих станках. М.: Машиностроение, 1972. — 188 с.

23. Гильман А. М., Гостев Г, В., Егоров Ю. Б. Автоматизированное проектирование оптимальных наладок металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1984. - 168 с.

24. Горанский Г. К., Владимиров Е. В., Ламбин Л. Н. Автоматизация технического нормирования на металлорежущих станках с помощью ЭВМ. — М.: Машиностроение, 1970. 222 с.

25. ГОСТ 5632-72. Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаропрочные и жаростойкие. Госстандарт СССР.

26. ГОСТ 18874-73. Резцы токарные прорезные и отрезные из быстрорежущей стали. Конструкции и размеры. Госстандарт СССР.

27. ГОСТ 18884-73. Резцы токарные отрезные с пластинами из твёрдого сплава. Конструкции и размеры. Госстандарт СССР.

28. ГОСТ 4872-75. Изделия для режущего инструмента из твёрдых спечённых сплавов. Технические условия. Госстандарт СССР.

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

30. Губкин С. И. Теория обработки металлов давлением. М.: Машгиз, 1951.-415 с.

31. Дёмкин Н. Б., Рыжов Э. В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. - 244 с.

32. Дунин-Барковский И. В., Карташова А. Н. Измерение и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. 1978. - 232 с.

33. Дьяченко П. Е. Качество поверхности при обработке металлов резанием. -М.: Машгиз, 1951.

34. Евстигнеев М. И., Морозов И. А., Подзей А. В. Изготовление основных деталей авиадвигателей. М.: Машиностроение, 1972. - 448 с.

35. Евстигнеев М. И., Подзей А. В., Сулима А. М. Технология производства двигателей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1982. -260 с.

36. Ерёмин А. Н. Физическая сущность явлений при резании сталей. — М.: Машгиз, 1951.-326 с.

37. Зорев Н. Н., Грановский Г. И., Ларин М. Н. Развитие науки о резании металлов. М.: Машиностроение, 1967. - 416 с.

38. Игумнов Б. Н. Расчёт оптимальных режимов обработки для станков и автоматических линий. — М.: Машиностроение, 1974. — 200 с.

39. Инструмент для современных технологий. Справочник. / Под ред. А. Р. Маслова. М.: ИТО, 2005. - 248 с.

40. Кацев П. Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1974. - 231 с.

41. Кириллова А. А., Свирщёв В. И., Макаров В. Ф. Определение параметров сечения среза при обработке дисков турбины канавочными резцами. // СТИН. 2006. - №8. - С. 35-37.

42. Кириллова А. А., Свирщёв В. И., Макаров В. Ф. Исследование влияния нестационарности процесса токарной обработки дисков турбины канавочными резцами на изменение параметров сечения среза. // СТИН. — 2006.-№Ю.-С. 36-38.

43. Кириллова А. А., Свирщёв В. И., Макаров В. Ф. Оптимальная подача при чистовом точении дисков турбин. // СТИН. 2007. - №2. - С. 37-39.

44. Кириллова А. А., Свирщёв В. И., Макаров В. Ф. Влияние жёсткости канавочного резца на качество поверхности при продольном точении. // СТИН. 2007. - №4. - С. 12-14.

45. Клушин М. И. Алгоритмы расчёта сил и скоростей резания. // Сб. науч. тр./ПТНИВВСНХ.-Горький, 1963.-С. 117-132.

46. Клушин М. И. Резание металлов. Издание ГПИ, 1967. 429 с.

47. Комаров М. С. Динамика механизмов и машин. М.: Машиностроение, 1969. - 296 с.

48. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984. - 831 с.

49. Кравченко Б. А., Пашев Д. Д., Колесников Б. М. Повышение выносливости и надёжности деталей машин и механизмов. Куйбышев: Куйбышевское кн. изд-во, 1966. -222 с.

50. Крагельский И. В. Трение'и износ. М.: Машиностроение, 1968.480 с.

51. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчётов на трение и износ. — М., 1977. — 525 с.

52. Крагельский И. В., Михин Н. М. Узлы трения машин. М., 1984.280 с.

53. Кузнецов Н. Д., Цейтлин В. И., Волков В. И. Технологические методы повышения надёжности деталей машин. Справочник. М.: Машиностроение, 1993. - 304 с.

54. Макаров А. Д. Износ и стойкость режущих инструментов. М.: Машиностроение, 1966. - 264 с.

55. Макаров А. Д. Новые характеристики обрабатываемости металлов резанием и вопросы выбора периода стойкости инструмента. // В кн.: Высокопроизводительное резание в машиностроении. М.: Наука, 1966. - С. 2741.

56. Макаров А. Д. О выборе оптимальных режимов обработки резанием в условиях автоматизированного производства. // В кн.: Автоматизация процессов механической обработки и сборки. М.: Наука, 1967. - С. 132-142.

57. Макаров А. Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976.-278 с.

58. Макаров А. Д. Ускоренный метод определения обрабатываемости металлов и установление рациональных режимов резания. // Организация процессов обработки металлов резанием. ЦИТЭИН ГНТК СМ РСФСР, 1961.

59. Макаров А. Д., Шустер JI. Ш. Выбор режимов резания при чистовом точении. // Станки и инструмент. 1970. - №1. - С. 34-35.

60. Марочник сталей и сплавов. / Под ред. В. Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

61. Масленков С. Б., Масленкова Е. А. Стали и сплавы для высоких температур. Справ, изд. в 2-х кн. Кн. 1. М.: Металлургия, 1991. - 383 с.

62. Маталин А. А. Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин. -М.: Машгиз, 1956. 252 с.

63. Маталин А. А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. Киев, 1971. - 140 с.

64. Маталин А. А. Технология механической обработки. JL, 1977. —460 с.

65. Медведев Д. Д. Точность обработки в мелкосерийном производстве. -М.: Машиностроение, 1973. 120 с.

66. Михин Н. М. Внешнее трение твёрдых тел. М., 1977. - 220 с.

67. Молохов И. Ф., Евстафьев Н. Н., Никольский Ю. А. Повышение качества и предела выносливости поверхностей полостей дисков турбины из сплава ЭП741-НП. // Авиационная промышленность. 2000. - №2. - С. 29-33.

68. Молохов И. Ф., Евстафьев Н. Н., Панин И. В. Совершенствование токарной обработки канавок, выборок, пазов в деталях ГТД. // Авиационная промышленность. 1988. - №5. - С. 15-17.

69. Моховиков А. А. Измерение силы резания и шероховатости торцевой поверхности при прорезке канавок. // Технология металлов. — 2002. — №12.-С. 24-26.

70. Обработка жаропрочных сплавов. Техническое руководство. Sand-vik Coromant. Швеция, 2007. - 128 с.

71. Основы прогрессивной технологии и рациональные методы обработки деталей авиационных двигателей. / Под ред. А. П. Иванова. — М.: Машиностроение, 1977. -375 с.

72. Основы технологии создания газотурбинных двигателей для магистральных самолётов. / Под ред. А. Г. Братухина, Ю. Е. Решетникова, А. А. Иноземцева. -М.: Авиатехинформ, 1999. 554 с.

73. Особенности процесса резания при токарной отрезке и обработке канавок. // Режущие инструменты. Экспресс-информация. М.: ВИНИТИ, 1979.-№Ю.-С. 1-5.

74. Пановко Я. Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. — Л.: Машиностроение, 1976. — 320 с.

75. Патент РФ. №2303504. Кл. В23В 1/00. Способ определения оптимальной подачи при токарной обработке. / Кириллов А. Ю., Кириллова А. А., Свирщёв В. И. №20051267775/02. Заявл. 24.08.2005. Опубл. 27.07.2007. Бюл. №21.

76. Проектирование металлорежущих инструментов. / Под ред. И. И. Семенченко. М.: Машгиз, 1963. - 952 с.

77. Резников А. Н. Температура и охлаждение режущих инструментов. -Куйбышевское книжное изд-во, 1959. 172 с.

78. Резников А. Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. — М.: Машиностроение, 1981. 279 с.

79. Резников А. Н., Резников Л. А. Тепловые процессы в технологических системах. -М.: Машиностроение, 1990. 288 с.

80. Резников Н. И., Жарков И. Г., Зайцев В. М. Производительная обработка нержавеющих и жаропрочных материалов. М.: Гос. н.-техн. изд-во машиностроительной лит-ры, 1960. - 200 с.

81. Рубинштейн С. А., Левант Г. В., Орнис Н. М., Тарасевич Ю. С. Основы учения о резании металлов и режущий инструмент. М.: Машиностроение, 1968. - 392 с.

82. Руководство по металлообработке. Технический справочник от Saridvik Coromant. Швеция, 2005. —601 с.

83. Рыкунов А. Н. Математическое моделирование шероховатости поверхности при лезвийной обработке в условиях малых сечений среза. // Справочник. Инженерный журнал. 2005. -№11. - С. 11-15.

84. Сахаров Г. Н., Арбузов О. Б., Боровой Ю. JT. Металлорежущие инструменты. М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.

85. Семенченко И. В., Мирер Я. Г. Повышение надёжности лопаток газотурбинных двигателей технологическими методами. М.: Машиностроение, 1977. - 160 с.

86. Серенсен С.В., Когаев В. П. Несущая способность и расчёты деталей машин на прочность. М.: Машгиз, 1963. - 451 с.

87. Силин С. С. Метод подобия при резании материалов. М.: Машиностроение, 1979. -152 с.

88. Силин С. С. Расчёт оптимальных режимов на основе изучения процессов резания методами теории подобия. // Технология машиностроения: сб. науч. тр. Ярославль: ЯПИ, 1968. - С. 43-64.

89. Силин С. С. Теория подобия в приложении к технологии машиностроения. Учебное пособие. Ярославль: ЯПИ, 1989. - 198 с.

90. Силин С. С. Установление критериальных зависимостей при резании металлов на основе изучения тепловых явлений. // Тепловые явления и обрабатываемость материалов резанием: сб. науч. тр. / МАТИ. М.: Машиностроение, 1966.-С. 102-138.

91. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей. / Под ред. А. Г. Братухина, Г. К. Язова, Б. Е. Карасёва. М.: Машиностроение, 1997.-416 с.

92. Спиридонов А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. - 184 с.

93. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2. / Под ред. А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1986. - 496 с.

94. Старков В. К. Дислокационные представления о резании металлов.-М., 1979.-160 с.

95. Сулима А. М., Евстигнеев М. И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. — М.: Машиностроение, 1974.-256 с.

96. Сулима А. М., Носков А. А., Серебренников Г. 3. Основы технологии производства газотурбинных двигателей. — М.: Машиностроение, 1996. 480 с.

97. Сулима А. М., Шулов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. - 240 с.

98. Суслов А. Г. Выбор, назначение и технологическое обеспечение параметров шероховатости поверхностей деталей машин по ГОСТ 2789-73. -Брянск, 1983.-83 с.

99. Суслов А. Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М.: Машиностроение, 1987. - 208 с.

100. Суслов А. Г., Дальский А. М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. - 684 с.

101. Таблицы физических величин. Справочник. / Под ред. И. К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. - 1006 с.

102. Тензометрия в машиностроении. Справочное пособие. / Под ред. Р. А. Макарова. М.: Машиностроение, 1975. - 288 с.

103. Термоэлектрические преобразователи температуры. Теория, практика, развитие. / Под ред. А. В. Каржавина. Обнинск, 2004. - 84 с.

104. Технологические остаточные напряжения. / Под ред. А. В. Под-зея. М.: Машиностроение, 1973. - 216 с.

105. Технология авиадвигателестроения. Обработка основных деталей и узлов. / Под ред. А. В. Подзея. М.: Государственное изд-во оборонной промышленности, 1957. -416 с.

106. Упругий токарный резец. // Машиностроительное производство. Серия: Режущие инструменты. Зарубеж. опыт: Экспресс-информация. — М.: ВНИИТЭМР, 1990. №8. - С. 35-40.

107. Фадюшин И. JL, Музыкант Я. А., Мещеряков А. И. Инструмент для станков с ЧПУ, многоцелевых станков и ГПС. М.: Машиностроение, 1990.-272 с.

108. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1970.544 с.

109. Форрест П. Усталость металлов. М.: Машиностроение, 1968,352 с.

110. Шифрин А. Ш., Резницкий JI. М. Обработка резанием коррозион-ностойких, жаропрочных и титановых сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1964. - 447 с.

111. Школьник JI. М. Методика усталостных испытаний. Справочник. М.: Металлургия, 1978. - 302 с.

112. Якобе Г. Ю., Экоб Э., Кохан Д. Оптимизация резания. Параметризация способов обработки резанием с использование технологической оптимизации. М.: Машиностроение, 1981. - 279 с.

113. Gas Turbines. Application Guide. Sandvik Coromant. Sweden, 2002. - 144 c.

114. Gorges et tronconnage: bein comprendre Taction des outils. // TraMetal. 2004. - №79. - C. 7-8, 10, 12, 14, 16, 18.

115. Iscar. Общий каталог. — Israel, 2005. 1161 с.

116. Iscar, Turnplus. The Complete Range of Turning Tools. Israel, 1999.-762 c.

117. Parting and Grooving. Application Guide. Sandvik Coromant. Sweden, 1999. - 109 c.

118. Sandvik Coromant. Металлорежущий инструмент. Основной каталог. Sweden, 2007. - 1055 с.