Процесс производства рабочей лопатки турбины ТНА ЖРД РД-180

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Аннотация
• Введение
• Краткое описание ТНА РД-180
• Глава1. Технологическая часть
• 1.1 Условия работы лопатки турбины ТНА
• 1.2 Выбор материала и заготовки
• 1.2.1 Химический состав материала
• 1.2.2 Физические свойства материала ( при Т = 20 °С )
• 1.2.3 Механические свойства материала ( при Т = 20 °С )
• 1.2.4 Термическая обработка
• 1.3 Технологический процесс изготовления лопатки
• 1.4 Анализ технологичности изделия
• 1.4.1 Коэффициент использования материала
• 1.4.2 Коэффициент точности обработки
• 1.4.3 Коэффициент применения типовых технологических процессов
• 1.5 Глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов
• 1.6 Алмазные ролики для правки
• 1.6.1 Виды изготовления алмазных роликов
• 1.6.2 Допуски
• 1.6.3 Конструкция
• 1.6.4 Зернистость
• 1.6.5 Сорт алмаза -- D 711 А
• 1.6.6 Содержание алмазов
• 1.6.7 Первичное изготовление и расчет нового алмазного ролика для правки
• 1.6.8 Эксплуатация
• 1.6.9 Расположение осей
• 1.6.10 Режимы обработки
• 1.7 Выбор баз и обоснование последовательности обработки детали
• 1.8 Расчет припуска на механическую обработку в операции №12
• 1.9 Режимы резания
• 1.10 Нормирование
• Глава 2. Конструкторская часть
• 2.1 Описание приспособления
• 2.2 Расчет приспособления на силу зажима
• Глава 3. Исследовательская часть
• 3.1 Основы процесса гидродробеструйного упрочнения
• 3.2 Технология процесса гидродробеструйного упрочнения
• 3.2.1 Устройство и работа установки для гидродробеструйного упрочнения
• 3.2.2 Технологические требования к процессу
• 3.2.3 Порядок обработки
• 3.2.4 Контроль упрочнения
• 3.3 Определение остаточных напряжений
• 3.4 Усталостные испытания лопаток
• 3.4.1 Цель испытаний
• 3.4.2 Объект испытаний - лопатки турбины ТНА
• 3.4.3 Исследование собственных частот
• 3.4.4 Оборудование для усталостных испытаний лопаток
• 3.4.5 Исследование распределения относительных напряжений
• 3.4.6 Метод испытаний на усталость
• 3.4.7 Метод обработки результатов испытаний
• 3.5 Результаты испытаний
• Глава 4. Часть по автоматизации
• 4.1 Описание программного пакета CATIA
• 4.1.1 Применение и возможности CATIA
• 4.1.2 Описание модулей пакета программ CATIA
• 4.2 Основные функции построение модели и чертежа деталей в САПР CATIA
• 4.2.1 Интерфейс пользователя
• 4.2.2 Создание двухмерной геометрии, образмеривание и нанесение надписей
• 4.2.3 Создание трехмерной модели детали и построение на ее основе двухмерной геометрии
• 4.3 Построение модели лопатки турбины ТНА
• Глава 5. Промышленная экология и безопасность производства
• 5.1 Анализ технологического процесса изготовления лопатки газовой турбины. Определение основных воздействий на окружающую среду и здоровье человека. Разработка мер защиты
• 5.1.1 Анализ технологического процесса изготовления лопатки газовой турбины
• 5.1.2 Анализ вредных воздействий на окружающую среду и разработка мер защиты при выполнении операции глубинного шлифования
• 5.1.3 Анализ вредных воздействий на здоровье человека и разработка мер защиты при выполнении операции глубинного шлифования
• 5.2 Анализ и расчет освещённости рабочего места
• 5.2.1 Анализ освещённости рабочего места
• 5.2.2 Расчет на освещенность рабочего места
• 5.3 Вентиляция производственного помещения
• 5.4 Меры противопожарной защиты
• 5.5 Выводы по результатам анализа вредных и опасных факторов
• Глава 6. Расчет экономической эффективности внедрения нового технологического процесса
• 6.1 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА
• 6.1.1 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА в проектируемом варианте
• 6.1.2 Расчет затрат на проектирование технологического процесса изготовления лопатки турбины ТНА в базовом варианте
• 6.2 Расчет годового экономического эффекта от внедрения нового технологического процесса
• 6.2.1 Расчет затрат на материал
• 6.2.2 Расходы на зарплату
• 6.2.3 Затраты на производственную площадь
• 6.2.4 Расчет затрат на эксплуатацию оборудования
• 6.2.5 Расчет энергетических затрат
• 6.2.6 Расчет себестоимости техпроцессов и экономического эффекта от внедрения
• 6.3 Расчет времени окупаемости внедрения нового технологического процесса
• 6.3.1 Расчет капиталовложений в оборудование
• 6.3.2 Расчет затрат на освоение новой технологии
• 6.3.3 Расчет времени окупаемости внедрения нового ТП
• Выводы по работе
• Литература и другие источники
• лопатка турбина шлифование правка


Аннотация

В данном дипломном проекте в технологической части (первый раздел) рассмотрен техпроцесс производства рабочей неохлаждаемой лопатки газовой турбины. Также в первом разделе описаны условия работы детали в узле, способ получения заготовки, приведены характеристики материала лопатки ЦНК-7П, проведен анализ технологичности, описан выбор баз для механической обработки, рассчитан припуск на обработку промежуточной технологической базы, проведено нормирование операций глубинного шлифования. В технологической части подробно описан способ механической обработки - глубинное шлифование и правящий алмазный инструмент. В конструкторской части рассмотрено приспособление для крепления детали при обработке хвостовика лопатки, и проведен расчет силы винтового зажима для данного приспособления. В исследовательской части рассмотрен процесс гидродробеструйного упрочнения замка лопатки: описаны сущность процесса, устройство гидродробеструйной установки, методика определения остаточных напряжений в поверхностном слое и усталостные испытания детали. В части по автоматизации рассмотрен программный пакет CATIA, его применение с промышленности, программные продукты данного пакета. Также рассмотрен процесс построения двухмерной и трехмерной геометрии, процесс создания модели лопатки в системе автоматизации проектирования CATIA. . В части по охране труда разработаны меры для повышения безопасности производства и охраны окружающей среды. В экономической части рассчитана эффективность внедрения данного техпроцесса производства лопатки по отношению к предыдущему.



Введение

Одной из самых сложных машиностроительных конструкций является газовая турбина.

Развитие газовых турбин определяется, в первую очередь, развитием авиационных газотурбинных двигателей для военных целей. При этом главным является повышение удельной тяги и снижение удельного веса. Проблемы экономики и ресурса для таких двигателей являются вторичными.

Одной из самых нагруженных деталью, ограничивающей межремонтный ресурс, являются неохлаждаемые лопатки турбины, изготавливаемые из деформируемого никелевого сплава ЭИ893. Лопатки из этого сплава из-за ограничений по длительной прочности имеют ресурс 48000 часов. В настоящее время при производстве лопаток турбин существует достаточно высокая конкуренция, поэтому вопросы снижения стоимости и повышения ресурса лопаток являются очень актуальными.

В данном дипломном проекте рассмотрена сравнительно новая для отечественной промышленности технология производства неохлаждаемых лопаток турбин большой длины (более 200 мм). В качестве заготовки лопатки применяется отливка из материала ЦНК-7П без припуска на механическую обработку пера, подвергнутая горячему изостатическому прессованию. Для снижения трудоемкости изготовления лопаток используется глубинное шлифование замка, а для повышения сопротивления усталости замок лопатки после шлифования подвергается гидродробеструйному упрочнению.

В данном дипломном проекте рассмотрена технология производства рабочей лопатки турбины. Поскольку данный техпроцесс универсален для лопаток самых разных размеров, он может применятся как для изготовления лопаток турбинынизкого давления ГТД (либо ГТУ), так и турбины ТНА ЖРД. В этой работе рассмотрена лопатка для ТНА ЖРД РД-180. Однако в силу универсальности материала лопаток и техпроцесса мы уделяем повышенное внимание также и ресурсу изделия. Подробно рассмотрен процесс глубинного шлифования для деталей из жаропрочных сплавов, какой является турбинная лопатка, и описаны технология производства и свойства используемых в глубинном шлифовании алмазных роликов для правки шлифовальных кругов. В проекте рассчитано на точность и силу зажима приспособление "щучья пасть", широко применяемое при операциях глубинного шлифования в процессе производства лопатки. В исследовательской части рассмотрен процесс повышения усталостной прочности путем обдувки дробью в жидкой среде замка лопатки (гидродробеструйное упрочнение), описаны методики определения остаточных напряжений и проведения усталостных испытаний лопатки. Также в работе описана система автоматизации проектирования CATIA и создание в данной системе модели детали и конструкторской документации. В части по охране труда разработаны меры для повышения безопасности производства и охраны окружающей среды. Рассчитана также эффективность внедрения данного техпроцесса производства лопатки по отношению к предыдущему.



Краткое описание ТНА РД-180

*Описание дано без газогенератора.

Турбонасосный агрегат выполнен по одновальной схеме и состоит из осевой одноступенчатой реактивной турбины, одноступенчатого шнекоцентробежного насоса окислителя и двухступенчатого шнекоцентробежного насоса горючего (вторая ступень используется для подачи части горючего в газогенераторы).

На основном валу с турбиной находится насос окислителя, соосно с которым на другом валу расположены две ступени насоса горючего. Валы насосов окислителя и горючего соединены зубчатой рессорой для разгрузки вала от температурных деформаций, возникающих вследствии большой разницы температур рабрчих тел насосов, а также для предотвращения замерзания горючго.

Для защиты радиально-упорных подшипников валов от чрезмерных нагрузок применены эффективные авторазгрузочные устройства.

Турбина - осевая одноступенчатая реактивная. Для предотвращения возгорания из-за поломок элементов конструкции или трения вращающихся деталей о неподвижные (вследствие выборки зазоров от деформаций или наклепа на сопрягаемых поверхностях от вибрации) зазор между лопатками соплового аппарата и ротора сделан относительно большим, а кромок лопаток - относительно толстыми.

Чтобы исключить возгорание и разрушение деталей газового тракта турбины, в конструкции применены никелевые сплавы, включая жаропрочные для горячих газовых магистралей. Статор и выхлопной тракт турбиныпринудительно охлаждаются холодным кислородом. В местах малых радиальных или торцевых зазоров используются разного рода теплозащитные покрытия (никелевые для лопаток ротора и статора, металлокерамического для ротора), а также серебряные или бронзовые элементы, исключающие возгорание даже при возможном касании вращающихся и неподвижных деталей турбонасосного агрегата.

Для уменьшения размеров и массы посторонних частиц, могущих привести к возгоранию в газовом тракте турбины, на входе в двигатель установлен фильтр с ячейкой 0.16*0.16 мм.

Насос окислителя. Высокое давление жидкого кислорода и, как следствие, повышенная опасность возгорания обусловили конструктивные особенности насоса окислителя.

Так, вместо плавающих уплотнительных колец на буртах крыльчатки (обычно используемых на менее мощных ТНА) применены неподвижные щелевые уплотнения с серебряной накладкой, поскольку процесс "всплывания" колец сопровождается трением в местах контакта крыльчатки с корпусом и может привести к возгоранию насоса.

Шнек, крыльчатка и торовый отвод нуждаются в особенно тщательном профилировании, а ротор в целом - в особых мерах по обеспечению динамической сбалансированности в процессе работы. В противном случае вследствие больших пульсаций и вибраций происходят разрушения трубопроводов, возгорания в стыках вследствие взаимного перемещения деталей, трения и наклепа.

Для предотвращения возгорания из-за поломок элементов конструкции (шнека, крыльчатки и лопаток направляющего аппарата) в условиях динамического нагружения с последующим возгоранием из-за затирания обломков использованы такие средства, как повышение конструктивного совершенства и прочности за счет геометрии, материалов и чистоты отработки, а также введение новых технологий: изостатическое прессирования литых заготовок, применение гранульной технологии и другие виды.

Бустерный насос окислителя состоит из высоконапорного шнека и двухступенчатой газовой турбины, привод которой осуществляется окислительным газом, отбираемом после основной турбиныс последующим перепуском его на вход в основной насос.

Бустерный насос горючего состоит из высоконапорного шнека и одноступенчатой гидравлической турбины, работающей на керосине, отбираемом после основного насоса. Конструктивно бустерный насос горючего аналогичен бустерному насосу окислителя со следующими отличиями:

· одноступенчатая гидротурбина работает на горючем, отбираемым с выхода насоса горючего основного ТНА;

· отвод горючего высокого давления для разгрузки шнека от действий осевых производится из входного коллектора гидротурбины БНАГ.

Таблица 1: ТТХ ТНА

Параметр	Значение	Единицы
	Окислитель	Горючее
Давление на выходе из насоса	60.2	50.6	Мпа
Расход компонента через насос	1792	732	кг/с
КПД насоса	0.74	0.74	мм
Мощность на валу	129.2	57.2	МВт
Скорость вращения вала	13850	об/мин
Мощность турбины	189.3	МВт
Давление на входе в турбину	50.9	Мпа
Количество ступеней	1
Степень понижения давления на турбине	1.94
Температура на входе в турбину	870	К
КПД турбины	0.79



Глава1. Технологическая часть

1.1 Условия работы лопатки турбины ТНА

Лопатка турбины ТНА (лист № 1) является одной из самых нагруженных деталей турбонасосного агрегата ЖРД. В процессе работы на лопатку действуют:

Большие центробежные силы от вращения (порядка 14000 об/мин).

Горячий окислительный газ, нагретый в камере сгорания до высокой температуры порядка 600°С и содержащий избыток окислительных элементов и примеси, приводящие к окислению и газовой коррозии поверхности.

Высокие изгибающие моменты от газовых сил.

1.2 Выбор материала и заготовки

В качестве материала лопатки выбран литейный никелевый сплав ЦНК-7П, имеющий более высокий (примерно в 1.3 раза) предел длительной прочности, позволяющий повысить ресурс лопаток до 100000 часов и отлить перо лопатки без припуска на механическую обработку.

Недостатком литейного сплава является более низкий предел выносливости, вследствие более высокой пористости по сравнению с деформируемыми сплавами, что всегда ограничивало применение литейных сплавов для неохлаждаемых лопаток турбиныбольшой длины.

Применение горячего изостатического прессования (ГИП) отливок позволило существенно снизить разницу в пористости и пределах выносливости для пера. В то же время для замка, вследствие большего объема металла отливки, эта разница остается w заметной. В качестве способа литья используется литье по выплавляемым моделям.



1.2.1 Химический состав материала

С=0.07 %, Si=0.3 %, Мn = 0.3 %, Р =0.01 %, S= 0.001%, Cu = 15.5 %, Со = 9.5 %,

Ti = 4.4 %, А1 = 4.3 %, W= 6.2 %, В= 0.2 %, Fe = 1 %, Са = 0.01 %, Mg =0.01 %, 0₂ =0.002 %,

Pb = 0.001 %, Ni - всё остальное

1.2.2 Физические свойства материала ( при Т = 20 °С )

-модуль упругости , Е = 210 ГПа -модуль сдвига , G = 81 ГПа -теплопроводность , у = 8 Вт/ м * К -теплоёмкость , Ср = 440 Дж/К* кг

1.2.3 Механические свойства материала ( при Т = 20 °С )

-предел прочности = 850 МПа -предел текучести = 750 МПА -относительное удлинение -относительное сужение

-ударная вязкость

1.2.4 Термическая обработка

Используется гомогенизация. Нагрев до Т = 1190 ⁰ С. Скорость нагрева регламентируется отсутствием деформации изделия. Выдержка - 4 часа. Охлаждение со скоростью 30-45 градусов/мин до Т =1050 ⁰ С. Выдержка - 2 часа. Охлаждение до Т = 850°С со скоростью 10 - 40 градусов/мин. Далее скорость не регламентируется. Атмосфера: вакуум, не менее 10^-3 бар.

1.3 Технологический процесс изготовления лопатки

Данный технологический процесс изготовления рабочей лопатки турбины ТНА отличается от ранее применяемого техпроцесса: во-первых, применением в качестве заготовки отливки, подвергнутой горячему изостатическом прессованию, вместо штамповки; во-вторых, включением в техпроцесс операции глубинного шлифования, которая заменила собой операции фрезерования и шлифования; в-третьих, включением в техпроцесс операции гидродробеструйного упрочнения замка лопатки.

Использование отливки и ГИП позволило исключить механическую обработку пера лопатки, применение глубинного шлифования - снизить трудоемкость механической обработки хвостовика лопатки, а гидродробеструйное упрочнение замка лопатки - повысить их предел выносливости. Ниже приведен технологический процесс изготовления лопатки (табл.2)



Таблица 2,1

Номер операции	Вид операции	Обрабатываемая поверхность	Оборудование	Инструмент	Приспосо бление
			шлифования ЛШ-220	180/А-013 3-1-500*40* 203*15°
035	Контроль	Профиль хвостовика	Микроскопи ческий проектор	УИМ-21 БП-5
040	Контроль	Профиль хвостовика	Рабочее место контроллера
045	Шлифовальная	Основание хвостовика	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-025 1-500*80*203	330/А-091
050	Шлифовальная	Торец хвостовика со стороны выходной кромки	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-017 1-500*50*203	330/А-108 330/А-092
055	Полировальная	Профиль хвостовика	Станок полировальн ый 950/582	Круг гибкий 1-100..125*10... .20*20
060	Маркирование	Торец хвостовика со стороны выходной кромки	Бормашина БЭБП-07А	Бор твердосплавный
065	Контроль	Торец хвостовика со стороны выходной кромки	Рабочее место контроллера
070	Шлифовальная	Торец хвостовика со стороны входной кромки	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-017 1-500*50*203	33 0/А-108 ЗЗО/А-093
073	Полировальная	Контур хвостовика	Станок полировальн ый 950/582	Круг гибкий 1-100..125*10... .20*20
075	Шлифовальная	Гребешок пера	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-012 1-500*50*203	ЗЗО/А-096 330/А-613
080	Шлифовальная	Полка пера со стороны корыта	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-012 1-500*50*203	330/А-108 330/А-093
085	Шлифовальная	Вырез на полке пера со стороны корыта	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-029 1-500*50*203	330/А-095
090	Шлифовальная	Вырез на полке пера со стороны входной кромки	Станок для глубинного шлифования ЛШ-220	Круг шлифовальный 180/А-029 1-500*50*203	ЗЗО/А-097 33 0/А-108 260/А-001
095	Полировальная	Скругление между гребешком и Выходной кромкой пера	Станок полировальн ый 950/582контр оллера	Войлочные круги с абразивным зерном 25А(24А) 6...10
100	Промывочная		Ванна
105, ПО	Контроль		Рабочее место контроллера
115	Промывочная		Рабочее место контроллера
120, 130, 155,	Диспетчерская		Рабочее место диспетчера
125	Термическая (старение)
135,165	ЛЮМ контроль 1		Рабочее место диспетчера
140	Вибрационный контроль		Рабочее место диспетчера		440/А-001 440/А-001
145	Гидродробестру иное упрочнение	Хвостовик лопатки	ТП1126.25. 150
150	Обезжиривание		Рабочее место диспетчера
160	Испытания на усталость				440/А-003
170	Определение статического момента		Установка ВЭМ-0,5Н		38.369/098
175	Окончательный контроль		Рабочее место контроллера
180	Комплектовочна я		Рабочее место диспетчера
Номер операции	Вид операции	Обрабатываемая поверхность	Оборудование	Инструмент	Приспосо бление
185	Расстановка		ПК
190	Маркирование	Торец хвостовика со стороны входной кромки	Бормашина	Бор твердосплавны й
195	Окончательный контроль комплекта		Рабочее место контроллера
200	Упаковочная				990/А-001

1.4 Анализ технологичности изделия

Под технологичностью конструкции детали понимается совокупность свойств, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовление, эксплуатации и ремонта и обеспечении технологичности сборочной единицы, в состав которой входит данная деталь.

Расчёт показателей технологичности:

1.4.1 Коэффициент использования материала

где М_дет - масса готовой детали, М_загот - масса заготовки.



1.4.2 Коэффициент точности обработки

Где:

- средний квалитет обработки,

А - квалитет обработки;

- количество поверхностей, обработанных по этому квалитету.

1.4.3 Коэффициент применения типовых технологических процессов

Где:

- число типовых технологических операций;

- число всех технологических операций;

В технологическом процессе производства рабочей лопатки используются две типовые технологические операции - глубинное шлифование и полирование.

Как видно из показателей технологичности, лопатка турбины является высоко технологичной деталью благодаря применению бесприпускного литья, и, следовательно, исключению из технологического процесса механической обработки пера и повышению коэффициента использования материала. Также технологичность повышается за счет применения процесса глубинного шлифования, которое заменило операции фрезерования и шлифования хвостовика лопатки.

1.5 Глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов

В данном разделе широко рассмотрен процесс глубинного шлифования для обработки деталей из жаропрочных сплавов, какой и является турбинная лопатка. Внедрение данного типа обработки позволило повысить производительность техпроцесса производства лопатки. Глубинное шлифование является основной операцией в данном ТП. В разделе рассмотрены история внедрения глубинного шлифования, теория процесса, различные способы обработки, виды оборудования для глубинного шлифования, шлифовальная головка

История развития процесса внедрения глубинного шлифования начался в начале 70-х годов, когда бурное наращивание объемов выпуска высокоресурсных авиационных двигателей заставило мировых производителей в отрасли авиадвигателестроения искать пути решения проблемы повышения производительности и качества обработки особо ответственных высоконагруженных деталей турбины, где вопросы обрабатываемости обеспечения ресурса стояли особенно остро.

Эффективное решение, этих задач не обеспечивалось использованием традиционных методов механической обработки, поскольку форсирование режимов обработки при изготовлении деталей из жаропрочных сплавов ограничивается низкой стойкостью режущего инструмента и ухудшением качества поверхностного слоя деталей.

Идея производительного съема материала абразивными кругами всегда привлекала внимание специалистов, так как известно, что абразивные материалы превосходят по твердости все известные стали и сплавы. Имелись и отдельные примеры решения этой задачи. Такими примерами может служить вулканитовая резка, производительные схемы шлифования плоских поверхностей с большой глубиной резания (до 5 мм и более) боковой поверхностью круга с поперечной циклической подачей до нескольких миллиметров на ход.

Однако всегда считалось, что высокопроизводительные процессы абразивной обработки несовместимы с обеспечением высокой точности и качества поверхностного слоя ответственных деталей, так как велика вероятность потери размерной стойкости и появления прижогов. Одним из путей повышения эффективности механической обработки и явилось внедрение в производство глубинного шлифования. Оно потребовало решения комплекса вопросов с целью повышения технологической надежности процесса, включающих разработку и выбор технологических схем обработки; оборудования; режущего и правящего инструмента; рецептуры, способов подачи и очистки СОЖ, режимов правки и шлифования; теоретического и экспериментального подтверждения гарантии достижения требуемой точности и качества шлифуемой поверхности.

Особенность внедрения глубинного шлифования заключалась в том, что оно начала практически было использовано в производстве и показало отличные результаты. Так, при изготовлении турбинных лопаток производительность увеличилась в 4 раза, точность -- в 2 раза, шероховатость поверхности снизилась в 2 раза, значительно повысилась работоспособность замкового соединения. При опытной обработке условий и режимов шлифования были тщательно исследованы все контролируемые показатели качества обработанной поверхности: шероховатость, глубина и степень наклепа, остаточные напряжения, микроструктура, возможность появления шлифовочных трещин. Все показатели при шлифовании были лучше или аналогичны ранее используемому фрезерованию. Ничем не отличался и уровень возникновения дефекта по возможному появлению несплошности поверхностного слоя, выявляемый по свечению люминофора и связанный с выходом на поверхность пор и расслоений материала по границам зерен, образующихся при литье. Однако через некоторое время этот дефект стал классифицироваться как шлифовочные трещины.

Чтобы определить границы надежного использования процесса необходимо было исследовать его теоретически. В нашей стране этим занялись специалисты ОАО "Рыбинские ученые Рыбинской государственной авиационной технологической академии (РГАТА) и отраслевого научно-исследовательского института технологии авиадвигателестроения (НИИД).

Исследованиями этой группы изучены многие аспекты процесса: теплофизические явления в зоне контакта, микрорезание и затупление зерен, износ кругов и правка, условия существования оптимальных режимов шлифования, охлаждение и механизм образования остаточных напряжений, условия и причины появления неустойчивости процесса,-- что позволило хорошо понять процесс и осознанно применять его на практике.

Особым случаем применения глубинного шлифования является глубинное шлифование деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, какой является лопатка турбины. Из производственной и исследовательской практики известно, что шлифование жаропрочных сплавов отличается от шлифования конструкционных сталей. Наличие в жаропрочных сплавах упрочняющей интерметаллидной '-фазы и карбидов, имеющих высокую микротвердость (HV 2030-2060), приводит к интенсивному изнашиванию круга и увеличению мощности шлифования. Это подтверждается данными по относительной мощности и удельной производительности шлифования различных материалов с широким изменением прочностных и теплофизических свойств.

Если оценивать относительную мощность шлифования энергетическим безразмерным критерием (где P_z -- тангенциальная составляющая силы резания, Н; Vk -- скорость вращения абразивного круга, м/с; V3 -- продольная подача заготовки, м/с; - коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала, Вт/м*К; максимальная контактная температура шлифования), а удельную производительность q -- отношением съема металла к износу круга в единицу времени, то эти показатели будут сильно отличаться для различных материалов, как это видно из таблицы 2

Таблица 3

Материал	А	q	Материал	А	q
Сталь 45	18	45	Х20Н77Т2ЮР	62	3.2
30ХГСА	18	25	ЖС6К	80	2.0
18ХН2Н4ВА	36	18	ВТ9	90	1.6
12Х18Н10Т	42	10	ЦНК-7П	92	1.5

Изнашивание инструмента является следствием истирания и выкрашивания частиц зерен под действием механических и температурных факторов. Ухудшение условий обработки вызывает рост контактной температуры шлифования и повьппает вероятность появления поверхностных дефектов на детали. Возникновение поверхностных дефектов в большей мере наблюдается при шлифовании материалов, обладающих малой теплопроводностью и аккумулирующих теплоту в тонком поверхностном слое.

При многопроходном циклическом нагреве во время обычного маятникового шлифования происходят необратимые формообразования зерен структуры обрабатываемого материала, приводящие к перераспределению микронапряжений, которые по величине могут превысить критические, характерные для малоцикловой усталости. В результате возникают поверхностные дефекты в виде шлифовочных трещин. Отсутствие многократного цикла нагрева и охлаждения является одним из преимуществ глубинного шлифования.

Таким образом, при глубинном шлифовании за счет изменения кинетики термического цикла могут быть созданы условия, исключающие возникновение термопластических деформаций поверхностного слоя и ослабляющие интенсивность протекания фазовых, микроструктурных и диффузионных процессов. Это достигается подбором состава и способов подачи СОЖ, назначением оптимальных характеристик и циклов правки круга и режимов резания.

Проведенные исследования температурного поля заготовки при глубинном шлифовании позволили установить, что при реально создаваемой интенсивности охлаждения количество теплоты, уходящее в обрабатываемую поверхность, в зависимости от условий обработки составляет 32...83 % от всего выделившегося тепла Причем, чем больше угол наклона (чем больше глубина шлифования) и меньше скорость заготовки , тем большее количество теплоты уходит в снимаемые с заготовки слои металла и тем ближе смещаются максимальные значения температуры на ее поверхности к точке А (рис. 1.1). (Q_m -- отношение температуры в произвольной точке дуги контакта М к температуре в точке А).

Рис 1.1 Схема шлифования (а) и зависимость относительной температуры по длине контакта круга с заготовкой (б) при глубинном шлифовании: 1) Р_е=1; 2)Р_е=0.6; 3)Р_е=0.4; 4) Р_е=0.1; 5) Р_е=0.02

Для обеспечения отвода как можно большего количества теплоты в снимаемые слои металла кинематические параметры процесса должны удовлетворять следующему условию:



Где: Р_е -- критерий Пекле, характеризующий скорость съема металла по отношению к скорости распространения температуры в обрабатываемую заготовку; V_з -- продольная скорость перемещения заготовки, м/с;

D -- диаметр круга, м;

t -- глубина шлифования, м;

а -- коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала, м² /с.

Интенсивный теплообмен в зоне шлифования обеспечивается обильной подачей СОЖ под давлением. Минимальное значение коэффициента теплообмена а₀=(3,5...5)*10³ Вт/(м С) служит мерой эффективности охлаждения и снижения температуры на участке контакта круга с заготовкой. Расчеты показали, что при обеспечении такой интенсивности теплообмена температура в точке А при кинематическом ограничении (1) составит 300...500 С⁰, что является гарантией отсутствия дефектов на обработанной поверхности в виде прижогов и трещин. Большое внимание на температуру шлифуемой поверхности оказывает скорость заготовки. При традиционных видах шлифования при t <0,1 мм и скорости детали V_з>10 м/мин, увеличение V_z приводит к некоторому уменьшению температуры шлифования. Это объясняется уменьшением времени контакта с обрабатываемой поверхностью. Интенсивность накопления теплоты в поверхностном слое снижается, и температура уменьшается. Этому способствует еще и тот факт, что при малых глубинах (до 0,04 мм) увеличение V_з не приводит к увеличению толщины срезаемого слоя, которая становится равной глубине резания, что также сказывается на интенсивности тепловыделения. При больших глубинах эта особенность уже не наблюдается, и температура возрастает постоянно, так как непрерывно увеличивается толщина срезаемого одним зерном слоя. Эти режимы являются наиболее опасными с точки зрения прижогообразования (рис. 1.2).



Для ограничения температуры шлифования нужно резко снижать скорости V_з, что является предпосылкой перехода к глубинному шлифованию.

При глубинном шлифовании с ростом Уз температура также возрастает. Однако при увеличении глубины шлифования с одновременным уменьшением Уз температура шлифования снижается, причем прирост глубины превышает темп снижения скорости заготовки за счет возрастания количества теплоты, уходящей в стружку, что увеличивает производительность процесса. Кроме того, уменьшается толщина срезаемого абразивным зерном слоя, возрастает количество режущих зерен по длине контакта круга с обрабатываемой поверхностью, и, как следствие этого, уменьшается уровень термодинамических нагрузок, воспринимаемых системой зерно-связка, участвующих в резании. Как следует из проведенных исследований, эти эффекты наблюдаются при соотношении скорости круга и заготовки .

Таким образом, бездефектное глубинное шлифование обеспечивается при режимах шлифования и технике подачи СОЖ, удовлетворяющих следующим условиям:

.



На основании проведенных исследований сделан вывод, что, поскольку при глубинном шлифовании абсолютная температура обработанной поверхности невелика и она более равномерно прогрета до этих умеренных температур, то в поверхностных слоях не создается условий для возникновения термопластических деформаций, а следовательно, и условий для наведения остаточных напряжений растяжения. Таким образом, остаточные напряжения, главным образом, формируются под действием сил резания абразивных зерен и являются сжимающими. Это убедительно объяснило многочисленные экспериментально полученные в период освоения кривые распределения остаточных напряжений, часть из которых приведена на рис. 1.3.

Рис 1.3 Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое после различных методов обработки: а) маятниковое шлифование (круг 25А40ПСМ27К5, сплав ХН62 МВКЮ-ВД, V_k=35 м/с, V_з=0.4 м/с, t =0.05 мм); б) фрезерование ( 1)ЖС6К, 2)ХН77ТЮР ); в) глубинное шлифование ( 1)ЖС6К, 2 - ХН77ТЮР, круг 24ПВМ212К5П40-20, V_k=30 м/с, V₃=0.001 м/с , t=1.5 мм)

Характерной чертой формирования остаточных напряжений при глубинном шлифовании является идентичность их распределения независимо от некоторых колебаний условий шлифования и марок обрабатываемых материалов. Распределение сжимающих напряжений происходит в более тонком слое у поверхности детали, чем при фрезеровании, что свидетельствует о меньшей глубине проникновения пластических деформаций.

Это подтверждается результатами измерений микротвердости, приведенными в таблице 4

Из таблицы следует, что глубина и степень наклепа при шлифовании значительно меньше, чем при фрезеровании, что положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках деталей, работающих в условиях высоких температур.

Отмеченные преимущества глубинного шлифования могут быть надежно реализованы при создании определенных технологических условий эффективной обработки. Технологические требования к процессу определяются эксплуатационными характеристиками детали и себестоимостью ее изготовления. Эти факторы определяют режимы шлифования, характеристики режущего и правящего инструментов, способ подачи и вид СОЖ, а также другие технологические параметры.

С этой целью для глубинного шлифования заготовок деталей ГТД высокой точности из труднообрабатываемых материалов разработаны технологические рекомендации. Они включают, кроме общих принципов назначения режимов шлифования, указанных выше, правила выбора характеристик абразивных кругов и условий их эксплуатации; правку и выбор правящего инструмента; способ подачи и состав СОЖ; требования к станкам с учетом специфики глубинного шлифования.

Характеристика режущего инструмента (вид абразивного материала, зернистость, твердость, структура, связка) определяется условиями работы абразивных зерен и требованиями к производительности обработки и качеству шлифованной поверхности.

Важнейшим показателем условий работы зерна является максимальная глубина его врезания в обрабатываемый материал, которая определяется глубиной врезания абразивного круга Наибольшая глубина врезания а, определяется выражении:

Где:

с -- коэффициент;

V_з и V_k -- скорости перемещения заготовки и вращения круга, м/с;

t -- глубина шлифования, м ;

D -- диаметр круга, м.

Анализ формулы показывает, что при прочих равных условиях переход на режим глубинного шлифования с сохранением производительности снижает толщину срезаемого слоя одним зерном в 10...12 раз, поэтому нагрузка на зерно при микрорезании существенно снижается, а объем срезаемой стружки увеличивается. Это дает возможность применять абразивные круги самой низкой твердости ВМ1, ВМ2 и делает необходимым увеличение их пористости.

Обобщение результатов исследований прочности системы зерно -- связка в условиях динамического и теплового ударов, характеризующих работу зерна при каждом цикле резания в условиях глубинного шлифования, позволило сделать следующие выводы:

для кругов твердостью ВМ1, ВМ2, Ml прочность системы зерно -- связка при динамическом ударе определяется прочностью связки;

вероятность разрушения системы зерно -- связка при тепловом ударе определяется вероятностью разрушения зерна, которая, в свою очередь, меньше вероятности разрушения зерна при динамическом ударе;

стойкость системы зерно -- связка определяется ее долговечностью в условиях динамической нагрузки, причем наиболее слабым звеном системы является связка.

Определение стойкости системы зерно -- связка и изучение состояния режущей поверхности круга позволили получить расчетные формулы и методику инженерного вычисления размерной стойкости и износа круга. Не вдаваясь в подробности их определения, можно отметить, что стойкость и износ круга зависят от прочности обрабатываемого материала, размера шлифовального круга, соотношения скоростей заготовки и круга, отношения глубины шлифования к радиусу круга, зернистости и коэффициента температуропроводности круга, плотности зерен в рабочем слое круга, а также показателей однородности абразивного материала круга и интенсивности накопления им усталостных повреждений.

При глубинном шлифовании сталей и жаропрочных сплавов на основе никеля необходимо использовать электрокорунд белый 24А, 25А. Применение монокорунда 44А не дает ожидаемого эффекта, поскольку при увеличении стоимости абразивного инструмента его режущие свойства полностью не используются, так как для обеспечения режима самозатачивания круга разрушение связки происходит быстрее, чем затупление зерен.

Зернистость круга определяется требованиями к точности обработки и условиям бездефектного шлифования. С уменьшением зернистости улучшаются условия микрорезания, уменьшаются силы резания единичным зерном, увеличивается стойкость системы зерно -- связка. С другой стороны, увеличивается число одновременно работающих зерен, благодаря чему растет средняя температура резания, и возрастает вероятность появления прижога, то есть уменьшается стойкость круга.

Аналогичная картина наблюдается с увеличением твердости круга. С одной стороны, увеличение твердости вызывает увеличение прочности системы зерно -- связка, уменьшение размерного износа круга. Одновременно это способствует меньшей самозатачиваемости круга, то есть уменьшению его стойкости вследствие появления дефекта на обрабатываемой поверхности детали.

Таким образом, при назначении зернистости и твердости инструмента исходят из его размерной и бездефектной стойкости. При этом период стойкости круга, ограниченный моментом появления прижога, должен быть не менее периода его размерной стойкости. Этим условиям при глубинном шлифовании заготовок из жаропрочных сплавов с малыми допусками лучше всего отвечают круги зернистостью 8...12 и твердостью ВМ1, ВМ2, Ml.

Структура круга определяется содержанием зерна, связки и пор. Она должна быть такой, чтобы достигалось размещение в порах круга стружки, снимаемой за один цикл резания, без его засаливания. Кроме этого, должно обеспечиваться хорошее вымывание стружки из пор и перенос порами части жидкости в зону контакта круга с заготовкой. Этими свойствами обладают только круги открытой структуры, поэтому круг для глубинного шлифования должен иметь 9... 12 структуру.

Высокая пористость кругов в достигается путем применения различных порообразующих веществ, выгораемых или выплавляемых в процессе изготовления кругов. В соответствии с технологией, разработанной ВНИИМАШ в качестве порообразующих наполнителей применяют перлит (П), полистирол синтетический (ПСС), нефтяной кокс (НК) и др. Круги твердостью ВМ1, ВМ2, Ml обеспечивают 45...50% содержание пор по объему круга, что способствует хорошему переносу жидкости, размещению и вымыванию стружки.

Условия глубинного шлифования требуют от круга высокой теплостойкости, жесткости, химической стойкости и водостойкости. Все эти свойства придают кругу только керамические связки. Чаще всего применяют связки КЗ и К5, но наряду с ними можно применять боросодержащие, огнеупорные, химические и водостойкие связки, легированные оксидами лития, бария, меди и др. Например, связка К11 характеризуется более прочной связью с зерном, чем связки КЗ и К5. В этом случае повышается стойкость системы зерно -- связка, что уменьшает износ круга.

Основным разработчиком и поставщиком высокопористых абразивных кругов является ВНИИМАШ и АО "Абразивный завод Ильич" (г. Санкт-Петербург). Научно-производственная фирма "Экси" (г. Курган) также разработала и освоила по экологически чистой технологии высокопористые круги с использованием модифицированной керамической связки К13 и специальных наполнителей. Испытания кругов 24А12НВМ112К13 и 24А12НВМ212К13 этой фирмы показали что они по всем параметрам не уступают серийным, а по некоторым параметрам превосходят их. Эти круги можно применять для всех видов глубинного шлифования.

Глубинное шлифование в современном понимании стало возможным благодаря разработке специальной техники правки абразивных кругов и созданию алмазного правящего инструмента Широкое применение нашли алмазные правящие ролики. Из основных схем правки методом радиального и тангенциального врезания наиболее распространена правка радиальным врезанием при параллельных осях ролика и круга. Профиль алмазных роликов в этом случае такой же, как у детали.

Правку (рис. 1.4, а) производят путем шлифования круга алмазным роликом при попутном вращении и соотношении скоростей ролика и круга, равным 0,6...0,8. Интенсивность правки t_п оценивается в мкм на оборот круга и принимается при черновой правке t_п --0,8...1,0 мкм/об, а при чистовой t_п =0,3...0,6 мкм/об.



Правка осуществляется до снятия заданного припуска. Величина t зависит от твердости и зернистости круга. Для кругов твердостью ВМ1, ВМ2, Ml 9... 12 структуры и зернистостью 10, 25,40 оптимальное значение t соответственно составляет 0,05...0,08, 0,08...0,12, 0,25...0,3 мм. Меньшие значения соответствуют более твердым кругам (Ml), а большие -- мягким кругам (ВМ1). При правке второго круга направление вращения ролика реверсируется.

При правке с тангенциальным врезанием ролика (рис. 1.4, б) абразивный круг сразу подается на величину t и проходит под правящим устройством со скоростью Vc. Правящий ролик вращается только в одну сторону, а один из кругов реверсируется для обеспечения попутной правки. Интенсивность правки определяется по формуле:

где все обозначения взяты из рис. 1.4, б и должны иметь одну размерность.

Скорость движения стола Vc, из этой формулы определяют по заданной интенсивности правки.

Тангенциальная правка обеспечивает более плавное врезание алмазного ролика и является предпочтительной при однокруговой обработке.

Ряд поверхностей с точки зрения качества можно обработать только с непрерывной правкой, при которой профилирование круга происходит в течение всего процесса шлифования, то есть круг и ролик во время всего цикла обработки находятся в постоянном контакте (рис. 1.5)

Компенсация износа круга при этом также осуществляется непрерывно, поэтому, если алмазный ролик имеет подачу врезания S_пp, то она компенсируется подачей всей шлифовальной бабки на величину врезания и правки, то есть S_вp+ S_пp.

Благодаря непрерывной правке шлифование осуществляется при неизменном состоянии режущей поверхности круга. Несмотря на то, что расход абразивного круга увеличивается по сравнению с дискретной правкой в 1,5...2 раза, производительность повышается в 5 … 7 раз по сравнению с обычным глубинным шлифованием, снижаются температуры и силы резания.

Для достижения требуемой точности и качества обработки важен как выбор смазочно-охлаждающей жидкости, так и ее эффективное использование. Выбор СОЖ определяет характер температурно-деформационных явлений в зоне обработки, интенсивность протекания адгезионных и диффузионных процессов в зоне контакта круга с заготовкой.



Наибольшее применение при глубинном шлифовании нашел 1,5..2%-ный водный раствор эмульсола Аквол-2. Он содержит противозадирные хлорные и серные присадки, синтетическая смесь которых обеспечивает снижение интенсивности адгезионных и диффузионных явлений, особенно при обработке труднообрабатываемых материалов. Большой процент воды обеспечивает высокую эффективность отвода теплоты.

Перспективной является синтетическая СОЖ, представляющая собой 2...3%-ный раствор концентрата Аквол-10М, который содержит анионоактивные и неионогенные эмульгаторы и жировые присадки. Применение этой СОЖ дает снижение шероховатости на 15...20% и сил резания на 10% по сравнению с СОЖ на основе Аквол-2.

Эффективное использование СОЖ обеспечивается системой ее подачи и очистки. СОЖ подается в зону обработки под давлением 0,5.. 0,6МПа с расходом 80...200 л в минуту на один круг. Положение охлаждающего и дополнительного очистного сопла относительно обрабатываемой заготовки автоматически сохраняется по мере изнашивания круга Бак для СОЖ вмещает не менее 1500...3000л и снабжен холодильным устройством для стабилизации температуры на уровне 20..30'С. Очистное устройство надежно задерживает любые частицы размером более 5.. 15 мкм.

В ряде случаев подача СОЖ интенсифицируется за счет дополнительной подачи ее на торцы круга с наложением ультразвуковых колебаний. При этом она попадает в поры круга и под действием центробежных сил проникает на периферию, очищая режущую поверхность и дополнительно охлаждая зону контакта круга с заготовкой.

Глубинное шлифование имеет такие особенности, обусловленные кинематикой и термодинамикой процесса, которые накладывают специфические требования к конструкции станков для глубинного шлифования. Опыт эксплуатации зарубежных станков, модернизация под условия глубинного шлифования ряда отечественных станков и создание собственного оборудования позволили ОАО "Рыбинские моторы" совместно с НИИД (г. Москва) разработать технические задания на разработку гаммы отечественных станков, обеспечивающих потребности отечественного авиационного двигателестроения.

Первыми были модернизированы плоскошлифовальные станки моделей ЗБ722 и ЗД722 производства Липецкого станкоинструментального завода. На них успешно внедрены в производство операции глубинного шлифования, контактных площадок турбинных лопаток с использованием прогрессивной схемы обработки сдвоенными кругами (рис. 1.6, ) со стороны "спинки" и "корыта" одновременно.

В условиях ограниченных производственных мощностей на этих станках одно время обрабатывались и елочные замки турбинных лопаток газоперекачивающих агрегатов. Были также модернизированы для глубинного шлифования елочных замков морально устаревшие станки фирмы "Матрикс" (Англия). На них была внедрена непрерывная правка кругов алмазными роликами с автоматической компенсацией размера, увеличена мощность главных приводов, переоборудована система подачи СОЖ.

Опыт модернизации станков дал возможность глубже исследовать ряд технических решений и заложить более обоснованные требования к ним во вновь разрабатываемых станках.

При создании промышленных моделей станков для глубинного шлифования на Липецком станкостроительном заводе большинство требований было выполнено.

Первым был создан одношпиндельный станок модели ЛШ-220 (рис. 1.7), который представляет собой полуавтомат с прямоугольным столом, горизонтальным шпинделем и четырехкоординатным устройством ЧПУ. Компоновка станка в сочетании с конструкцией

шпинделя на подшипниках качения обеспечивает высокую жесткость шлифовальной бабки. Применение в направляющих стола и салазок фторопластовой ленты, а также винтовых пар качения в механизмах вертикального и поперечного движения подач шлифовальной бабки и перемещения стола позволили достичь плавности рабочих перемещений и высокой точности изготовления деталей .Станок нашел широкое применение на заводах отрасли. Данный станок используется в технологическом процессе производства лопатки турбины ТНА.

Недостатком станка явилось не совсем удачное конструктивное решение правящего устройства и организации рабочей зоны, ограничивающей автоматизацию цикла обработки.

Станок ЛШ-233 представляет собой полуавтомат с ЧПУ для двухстороннего глубинного шлифования. Он предназначен для одновременного шлифования симметричных или несимметричных поверхностей заготовок различных деталей. Станок имеет непрерывную правку кругов непосредственно в процессе обработки, которая используется на черновых проходах. Перед чистовым рабочим ходом оба круга



Рис 1.7 Станок ЛШ-220: 1 - станина; 2 - стол; 3 - колонна; 4 - шлифовальная головка; 5 - система подачи и очистки СОЖ; 6 - пульт управления калибруются одним роликом, что гарантирует симметричность расположения профилей и высокую точность обработки.

Станок ЛШ-233 отвечает основным требованиям высокопроизводительного глубинного шлифования.

Некоторым конструктивным недостатком этих станков является весовая несбалансированность консольно расположенных электродвигателей привода шлифовальных кругов.

Существенным шагом в дальнейшем усовершенствовании одношпиндельных плоскошлифовальных станков является создание станка модели ЛШ-236.

Станок значительно превосходит своих предшественников по технологическим возможностям. Он обладает повышенной жесткостью, быстроходностью на холостых ходах, имеет большую по высоте зону обработки.

Наличие круглого рабочего тактового стола позволяет производить предустановку деталей во время рабочего цикла, что повышает производительность и дает возможность полностью автоматизировать цикл обработки.

Для расширения области применения методов профильного шлифования с непрерывной правкой кругов при обработке поверхностей сопловых лопаток турбин предназначен карусельно-шлифовальный станок ЛШ-278.

Станок может работать в широком диапазоне режимов, в том числе и в режиме глубинного шлифования, имеет дополнительный высокоскоростной шпиндель для формирования канавок и резцедержатель для их подправки резцом в режиме точения.

1.6 Алмазные ролики для правки

Алмазные ролики являются профильным инструментом для правки шлифовальных кругов. Они применяются во всех операциях глубинного шлифования в техпроцессе производства турбинной лопатки. На листе № 4 графической части приведены чертежи роликов для операций 25 , 50 и 70. Данные ролики изготовлены немецкой фирмой "Wendt". Отличие алмазных роликов этой фирмы от отечественных аналогов в том, что стойкость составляет от 50000 до 180000 условных правок, когда этот показатель для отечественных роликов составляет 10 000-40 000 правок.

Разработка алмазных правящих роликов соответствовала требованию максимального сокращения времени на восстановление профиля шлифовального инструмента. И по возможности настолько, чтобы восстановление профиля было возможно при проведении других обязательных операций, требующих вспомогательного времени, например, смена заготовок. И вместо того, чтобы с помощью отдельного алмаза

по копиру проходить весь профиль, было найдено решение, в соответствии с которым инструменту для правки придавалась форма всего профиля и при непродолжительном врезании в шлифовальный круг восстанавливался его профиль. Чтобы получить скорость правки, необходимую для восстановления профиля, без значительного сокращения числа оборотов шлифовального шпинделя, оказалось, что необходимо приводить и сам ролик для правки. Благодаря этому скорость правки стало возможным регулировать как относительную скорость между окружной скоростью шлифовального инструмента и правильного ролика.