Повышение эффективности протягивания деталей газотурбинных двигателей на станках с ЧПУ путем управления скоростью резания многосекционной протяжки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

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

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

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

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

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

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести системный анализ научных исследований и существующего опыта технологического обеспечения оптимальной обработки резанием труднообрабатываемых материалов многозубым инструментом на станках с ЧПУ. Рассмотреть физические основы оптимального резания при протягивании труднообрабатываемых материалов и обосновать возможность скоростного резания с применением многозубых инструментов и переключения скорости резания на станках ЧПУ с учетом изменения подачи на зуб по ходу движения протяжки;

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

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

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

5. Разработать техпроцесс изготовления комплекта многозубых многосекционных твердосплавных протяжек для протягивания елочных пазов в дисках турбины для станка с ЧПУ фирмы «HOFFMANN»;

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

Методы исследований.

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

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

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

На защиту выносятся:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Анализ опубликованных работ по тематике диссертации

По результатам проведенного анализа можно сделать вывод, что на современном этапе развития в процессе протягивания труднообрабатываемых жаропрочных сплавов существует несколько основных проблем: низкая производительность, низкая стойкость протяжек и, как следствие, нестабильное качество поверхностного слоя получаемых изделий. Все эти проблемы в первую очередь связаны с низкими скоростями резания и нерациональными инструментальными материалами, применяемыми при протягивании. В двигателестроении скорость протягивания, например, «ёлочных» пазов в дисках турбин из жаропрочных никелевых сплавов при традиционной технологии на черновых секциях не превышает 2 м/мин, а на чистовых секциях обычно снижается до 1 м/мин. В настоящее время детали ГТД протягиваются преимущественно на горизонтально-протяжных станках типа 7А540 с длиной блока протяжек 1,6 м и с диапазоном рабочих скоростей станка от 0,5 до 6 м/мин.

По вопросам совершенствования протягивания на низких скоростях резания (1.5-15 м/мин) имеется достаточно большое количество исследований отечественных и зарубежных ученых. В работах Каширина А.И., Щеголева А.В., Грановского Г.И., Маргулиса Д.К., Горецкой 3.Д., Кацева П.Г., Опитца Г. и Шутте М., Кузнецова А.М. и других исследователей приводятся рекомендации по протягиванию деталей из углеродистых, легированных сталей и чугунов быстрорежущими протяжками. Причем чаще всего рекомендуется при входе чистовых секций протяжек с подачей на зуб 0,02-0,005 мм/зуб снизить скорость резания до 1-1,5 м/мин.

Вопросам исследования протягивания труднообрабатываемых материалов с применением быстрорежущих и твердосплавных протяжек посвящены работы: Балюры П.Г., Вишнякова А.Е., Пронкина Н.Ф., 3амшева О.Ф., Чернышева В.В., Ведмедовского В.А., Миларини Г.Г. и других.

Протягивание различных групп материалов на повышенных скоростях резания исследовалось в работах: Макарова В.Ф., Мануйлова Л.К., Жигалко Н.И., Ковзеля Н.И., Синицина В.И., Белашкова В.И., Дворова Ю.И., Яхнина М.Н., Мейера К., Хоффмана К. и других авторов. Чаще всего здесь рекомендуется постоянная скорость резания независимо от изменения подачи на зубьях многосекционных протяжек. Кроме того, большинство исследований выполнено в лабораторных условиях с применением одно и двузубых моделированных протяжек.

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

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

Однако все эти теоретические и экспериментальные исследования физических закономерностей процесса скоростного протягивания проведены применительно к резанию однозубыми или двузубыми протяжками. В то же время, в производственных условиях применяются многосекционные многозубые протяжки, общей длиной до 7-8 метров, состоящие из 5-12 секций, с общим числом режущих зубьев до 400 и более. Причем, по ходу движения такой многосекционной многозубой протяжки подача на зубьях постепенно снижается с 0.12-мм/зуб на черновых секциях до 0.02-0.005 мм/зуб на чистовых секциях. Для обеспечения оптимальных условий резания на каждом зубе такой многозубой протяжки необходимо обеспечить резание с оптимальной скоростью для данной подачи на зуб. Решению данной проблемы до сих пор практически не уделялось внимание. Появление протяжных станков с ЧПУ типа Hoffmann с большой длиной хода и с большим диапазоном скоростей резания позволяет решить данную проблему путем программируемого управления скоростью резания.

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

Рис. 1. Многозубые протяжки с механическим креплением режущих пластин для лабораторных исследований и протянутый образец

Рис. 2. Протяжки с напайными твердосплавными пластинами ВК8 для производственных испытаний

2. Разработанная автором методология проведения теоретических и экспериментальных исследований

Представлены методы математического моделирования теплофизических явлений в зоне резания и методики экспериментальных исследований, оборудование, средства измерения и контроля изучаемых процессов изменения температуры и усилий резания. Для теоретических исследований использовались такие методы математического моделирования, как аналитический метод и метод конечных элементов. Экспериментальная часть работы выполнена в лабораторных условиях на специальной установке скоростного протягивания модели УСП-1 с диапазоном скоростей от 1-60 м/мин и на модернизированном вертикально - протяжном станке мод.7Б74 в диапазоне скоростей резания до 30 м/мин. Для проведения испытаний были подготовлены образцы из наиболее труднообрабатываемых жаропрочных сплавов на никелевой и железо-никелевой основе ЭИ787ВД, ЭИ437БУВД, ЭИ698ВД и ЭП109ВД, прошедших серийную термообработку. В производственных условиях исследования проводились на модернизированных станках мод. 7А540 в диапазоне скоростей 2-30 м/мин с подачей серийной СОЖ 3-5% ВЕЛС-1 и на горизонтально протяжном станке с ЧПУ мод. RAWM16/8500 фирмы Hoffmann (Германия) на образцах и конкретных деталях ГТД.

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

Исследования средней температуры контакта многозубой протяжки проводили с помощью естественной термопары и искусственых термопар, встроенных в твердосплавные пластинки. Тарирование естественной термопары производилось с помощью специальной тарировочной головки по температурам плавления легкоплавких материалов - олова, свинца и сплава Вуда.

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

3. Теоретическое исследование теплонапряженности процесса резания при скоростном протягивании многозубым инструментом с переменной подачей на зубьях и обеспечением оптимальной температуры в зоне контакта каждого режущего зуба с заготовкой

Для этого выполнено математическое моделирование распределения температуры резания в технологической системе, с использованием двух методов математического моделирования.

Общий подход к моделированию процесса многозубого скоростного протягивания, используемый в данной работе, представлен на схеме (Рис.3). Источник тепла принимался полосовым, движущимся в течение конечного промежутка времени.

Рис. 3. Схема процесса резания многозубой протяжкой (вверху) и расположения источников тепла q (внизу) для математического моделирования и расчета тепловых полей и контактных температур

На первом этапе применялся аналитический метод расчета приращения температуры Т резания на каждом зубе протяжки с использованием известных зависимостей проф. Резникова А.Н. для многозубых инструментов, адаптированных для процесса протягивания. В результате выведены следующие основные зависимости, использованные для теплофизических расчетов температуры контакта в зоне резания каждого зуба протяжки:

;;

;

- безразмерный шаг между зубьями протяжки,

где: qи - плотность теплового потока, Qи - тепловая мощность, поступающая в изделие, b - ширина резания, - теплопроводность материала детали, - коэффициент температуропроводности материала детали, Тmax - максимальная температура на режущем клине, ?Т - приращение температуры m-го режущего клина относительно первого режущего клина.

В результате расчета получены значения приращения температуры Т на 5 зубьях протяжки. Установлено, что прирост температуры на режущих зубьях протяжки незначителен, максимальный прирост наблюдается на переходе с первого зуба на второй, но и он не превышает 6%. Установлено, что данный аналитический метод исследования не позволяет получить полные данные о полях распределения температур в режущем клине, в стружке в процессе протягивания и о характере течения процесса в зависимости от числа зубьев находящихся одновременно в контакте с заготовкой. Для получения этих данных был использован другой известный метод численного математического моделирования - метод конечных элементов. Задача теплопроводности формулируется следующим образом: найти квазистационарное распределение температур в компонентах технологической системы из решения дифференциалального уравнения:

при следующих начальных и граничных условиях:

;

;,

где - направляющие косинусы вектора внешней нормали к граничной поверхности, - граничная поверхность, на которой происходит теплообмен с коэффициентом теплообмена , - граничная поверхность, на которой задан тепловой поток плотности .

Решение уравнения с граничными условиями можно заменить задачей поиска минимума функционала:

Расчет величины прироста температуры проводился в программном комплексе DEFORM-2D. DEFORM-2D -- это сложная расчетная система, основанная на методе конечных элементов. Интеллектуальный генератор сетки способен автоматически построить и оптимизировать конечноэлементную сетку, перестраивая её, в случае необходимости, в ходе расчета: генератор сетки использует промежуточные результаты расчета и строит более густую сетку в областях, где требуется высокая точность решения. Кроме того, есть возможность самостоятельно настраивать плотность сетки, распределение ее элементов по сечению и параметры ее автоматического перестроения.

Все начальные данные и результаты расчета находятся в одном файле. В данном пакете используется методология жесткости, которая связывает силы и перемещения с жесткостью системы:

где K - матрица жесткости системы; u - узловое перемещение; f - вектор силы перемещения.

Вычисление в анализе теплопередачи производится следующим образом:

где C - матрица теплоемкости; k - матрица теплопроводности;

Q - вектор тепловой нагрузки; T - вектор узловых температур;

- вектор градиентов температуры по времени.

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

Инструмент (четырехзубая протяжка) моделировался абсолютно твердым телом с передним углом г = -5°, задним углом = 5° , толщина среза или подача составляла Sz = 0.06 мм/зуб, а скорость резания V = 22 м/мин. За начальную температуру модели и среды принята температура 20 С°. В расчете использовались теплофизические свойства применяемого в качестве обрабатываемого материала жаропрочного сплава ЭИ787ВД, при моделировании методом конечных элементов теплопроводность и теплоемкость принимались как функции от температуры. Длина обрабатываемой поверхности заготовки составляла 45 мм, шаг между зубьями t0 =12 мм. Таким образом, в контакте с заготовкой могло находиться одновременно три-четыре зуба протяжки. Учитывалось теплообразование на контактных поверхностях зубьев протяжки ll2 и в плоскости скалывания l0. Средний износ протяжек по задней поверхности принимался hз=0,15 мм.

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

Рис. 4. Характерное поле распределения температуры в процессе протягивания сплава ЭИ787 из ВК8 протяжкой (V=22 м/мин, Sz=0.06 мм/зуб)

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

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

Рис. 5. Результаты расчета изменения контактной температуры в процессе протягивания сплава ЭИ787 десятизубой протяжкой из ВК8 (V=22 м/мин, Sz=0.06 мм/зуб)

4. Результаты экспериментальных исследований влияния режимов резания на изменение температуры контакта и сил резания в процессе протягивания многозубой протяжкой

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

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

Рис. 6. Результаты экспериментального исследования температуры резания при протягивании сплава ЭИ787ВД 10-ти зубой протяжки из ВК8

5. Вопросы технологического обеспечения и реализации нового метода скоростного протягивания, проведен анализ применяемых протяжек из быстрорежущих сталей для протягивания пазов в дисках турбин, используемых на ОАО «ПМЗ», конструкция и технология изготовления твердосплавных протяжек с напайными пластинами

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

Для определения оптимальной скорости резания в цеховых условиях разработано программное обеспечение, в котором учитываются все условия резания. На рис. 7 представлены результаты расчета оптимальной скорости резания от подачи на зуб и марки обрабатываемого сплава, полученные с помощью разработанной программы.

Рис. 7. График зависимости оптимальной скорости резания от подачи при скоростном протягивании для жаропрочных деформируемых сплавов ЭИ787ВД, ЭИ437БУВД, ЭП109ВД

Разработана новая конструкция многосекционной протяжки с напайными твердосплавными пластинами. Предложена типовая технология производства твердосплавных протяжек. Конструкция многосекционной протяжки предполагает постепенное по ходу движения секций протяжки уменьшение подачи на зуб с 0,1 мм/зуб до 0,02 мм/зуб. Для постепенного увеличения скорости резания и для уменьшения резкого скачка скорости при переходе с одной секции протяжки на другую с различными подачами в каждой секции предусмотрены переходные зубья (2-3) с уменьшающейся подачей до величины подачи на следующей секции (рис. 8).

Рис. 8. Изменение скорости резания и подачи в процессе протягивания новыми твердосплавными протяжками

многозубый твердосплавный резание станок

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

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

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

Заключение

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

2. Разработана математическая модель расчета распределения температуры в зоне резания каждого зуба многозубой протяжки, находящегося в контакте с заготовкой, с использованием CAE системы DEFORM 2D и установлены закономерности изменения температуры резания при различных технологических условиях протягивания жаропрочных никелевых сплавов твердосплавными протяжками, учитывающие тепловыделения от деформации материала и теплообмен в тепловом тракте деталь-инструмент-стружка

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

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

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

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

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

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

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

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

Литература

1. Туктамышев, В.Р., Физические основы интенсификации процесса протягивания труднообрабатываемых материалов [Текст] / Макаров В.Ф., Токарев Д.И., Туктамышев В.Р. // Технология машиностроения. - 2009. - №2. - C.18-20.

2. Туктамышев, В.Р., Управление величиной оптимальной скорости резания при протягивании деталей [Текст] / Макаров В.Ф., Туктамышев В.Р.// Вестник УГАТУ - 2009. - C.36-40.

3. Туктамышев, В.Р., Статистическая оценка надежности протяжек [Текст] / Макаров В.Ф., Туктамышев В.Р., Э.А. Нуриева, С.В. Кобелев, В.С. Кобелев // Вестник машиностроения - 2009. - C.80-82.

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

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

6. Туктамышев, В.Р., Новый метод скоростного протягивания деталей ГТД на протяжных станках ЧПУ с большой длиной хода [Текст] / Макаров В.Ф., Токарев Д.И., Туктамышев В.Р. // Машиностроение и техносфера XXI века: сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. - Донецк: ДГТУ 2008 г. - С.244-247.

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

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

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

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

Размещено на Allbest.ru