На правах рукописи

Тарасов Сергей Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ

КРИВОЛИНЕЙНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДИСКОВ И КОЛЬЦЕВЫХ

ДЕТАЛЕЙ ГТД ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ ЗА СЧЕТ

ПРИМЕНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ИЗ РЕЖУЩЕЙ КЕРАМИКИ

Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физикотехнической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск – 2013 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования:

«Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» на кафедре «Резание материалов, станки и инструменты имени С.С. Силина»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Волков Дмитрий Иванович

Официальные оппоненты:

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

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

Ведущая организация:

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

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

Автореферат разослан 25 октября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Конюхов Борис Михайлович

Общая характеристика работы

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

Применение на операциях механической обработки инструмента из режущей керамики позволяет повысить производительность обработки, однако при необходимости обеспечить высокое качество обработки на криволинейных поверхностях дисков турбины и кольцевых деталей возникают проблемы с разрушением инструмента.

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

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

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

Для дoстижения поставленной цели в данной работе решаются слeдующие задачи:

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

3. Проведение экспeриментальных исследований сил резания, температуры, параметра износа по задней поверхности и криволинейных поверхностей.

4. Разработка и создание методики по оптимизации обработки керамическими инструментами, обеспечивающей минимум 5. Разработка рекомендаций по эффективному использованию инструментов из режущей керамики в машиностроительном производстве и авиационной промышленности.

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

На защиту выносятся:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

диссертационной работы прошли проверку при внедрении процессов высокоскоростной токарной обработки деталей из жаропрочных сплавов инструментами из режущей керамики на предприятии ОАО «НПО Сатурн».

Внедрение результатов исследования в производство позволило получить экономический эффект 381 тыс. руб.

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

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

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

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

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

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

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

В производстве деталей газотурбинных двигателей при обработке жаропрочных материалов инструментом из режущей керамики наибольшее распространение получили пластины круглой формы. Данные типы пластин не только просты в изготовлении, но и экономически эффективны по сравнению с другими формами пластин, так как имеют до 10 режущих кромок. При точении круглыми пластинами (с небольшими глубинами резания по отношению к радиусу при вершине) в работе формирования стружки помимо главной режущей кромки в работе принимает участие и вспомогательная, что указывает на процесс несвободного резания. В этом случае по сравнению с процессом свободного прямоугольного резания материалов возникают трудности, связанные с определением ширины (b1) и толщины (а1) сечения среза, от которых зависит величина силы резания.

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

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

При таком переходе в процессе обработки происходит изменение направления вектора подачи s. Вследствие этого помимо величины продольной подачи sпр возникает поперечная подача sпопр, действующая в радиальном направлении, происходит увеличение не только величины суммарной подачи sсумм и толщины сечения среза a1, но и возрастание составляющих силы резания, которое может повлиять на работоспособность режущей пластины из минералокерамики. Следовательно, на процесс обработки существенно влияет радиус кривизны обрабатываемой поверхности заготовки rзаг..

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

где – угол между касательной к траектории движения центра пластины и прямой, характеризующей прямолинейный участок, град; m=t/MN – безразмерный коэффициент, зависящий от геометрических параметров инструмента, подачи s и глубины t; fГ – площадь сечения сформировавшихся гребешков неровностей на обработанной поверхности, м2; MN – длина отрезка, соединяющего две крайние точки работающих участков режущих кромок инструмента, м.

При обработке с небольшими глубинами резания по отношению к радиусу пластины параметры fГ и m могут быть определены зависимостями:

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

толщины и ширины сечения среза при Принимая во внимание криволинейность траектории процесса резания и, введя соответствующие подстановки, величина определялась зависимостью:

где rзаг – радиус кривизны обрабатываемой заготовки, м rпл – радиус режущей пластины, м; Kr – безразмерный радиус кривизны поверхности, равный отношению rзаг к rпл; П=(s/t) и Р=(rпл/t) – безразмерные параметры, характеризующие технологические условия анализируемого случая токарной обработки.

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

где MN – определяется зависимостью (5).

На графиках рисунок 3 представлены зависимости ширины сечения среза b1 от параметров Р, Kr.

Рисунок 3 – Графики зависимости ширины сечения среза b 1 от параметров Р (а) и Kr (б) при точении круглой пластиной из керамики типа RNGN 120700E, условия обработки: rзаг=20мм, rпл=6,35мм, s=0,1 мм/об, =45.