Обеспечение несущей способности лопаток осевых моноколёс высокоскоростным фрезерованием

УДК 621.452.3

А. В. Богуслаев, А. Я. Качан, С. В. Мозговой, Г. В. Карась, В. А. Панасенко

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЛОПАТОК ОСЕВЫХ МОНОКОЛЁС ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ФРЕЗЕРОВАНИЕМ

Экспериментально определены основные параметры качества несущих поверхностей осевых моноколёс после высокоскоростного фрезерования.

Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами

Формообразование проточных поверхностей осевых моноколёс (рис.1), и профильных поверхностей лопаток в процессе их изготовления является одной из самых сложных проблем современного авиадвигателестроения. Проблема обусловлена сложностью геометрической формы указанных деталей, высокой требуемой точностью, трудностью обработки материалов, а также высокими показателями качества несущих поверхностей, которые необходимо обеспечить в процессе обработки. Высокие показатели качества изготовления моноколёс напрямую связаны с повышением их ресурса и надежности при эксплуатации ГТД.

Рис. 1. Осевое моноколесо 2-ой ступени КНД

Обзор публикаций и анализ нерешенных проблем

Одним из перспективных методов формообразования проточных поверхностей осевых моноколёс является высокоскоростное фрезерование [15]. Однако, в современных литературных источниках, в силу новизны рассматриваемого метода, практически отсутствует информация о влиянии метода обработки, режимов и технологических условий на поверхностный слой несущих поверхностей лопаток и на значения параметров их качества, которые определяют ресурс и надежность моноколёс в процессе эксплуатации ГТД.

Цель работы

Комплексное экспериментальное исследование влияния высокоскоростного фрезерования на несущую способность лопаток осевых моноколёс из титанового сплава ВТ 8-1.

Методика проведения исследований

Моноколесо изготавливают из титанового сплава ВТ8-1 ОСТ 190197-89. Основные параметры моноколеса:

- высота лопатки Нтах - 102 мм;

- толщина лопатки Стах - от 2,361 до 4,684 мм;

- хорда лопатки Втах - от 70,44 до 64,838 мм;

- радиус входной кромки - от Л1т;п = 0,363 мм до Атах = 0,78 мм;

- радиус выходной кромки - от Я2т;п = 0,373 мм до Я2тах = 0,762 мм.

Формообразование поверхностей лопаток и ступицы моноколеса 2 ступени КНД выполнялось на станке "ТиКВОВиБК 1005" фирмы "1_!ЕСНТ!" по технологии, подробно изложенной в работе [5].

После изготовления моноколеса 2-ой ступени КНД высокоскоростным фрезерованием осуществлялась вырезка из него образцов лопаток (рис. 2) электроэрозионным способом проволочным электродом на станке "КоЬоР^ 4020Б!" с применением специального приспособления.

Исследуемая на оптическом микроскопе при увеличении х500 микроструктура образцов показала, что структурные изменения в виде неравномерного газонасыщенного слоя наблюдаются только в зоне электроэрозионного реза. Глубина слоя

0,008......0,016 мм. Шероховатость поверхности

измерялась как со стороны спинки, так и со стороны корыта пера лопатки пертометром "Ре|1оте1ег М3".

Остаточные напряжения в поверхностном слое пера определялись на приборе "Пион-2" согласно технологической инструкции.

Фрактографические исследования усталостного излома и исследование микроструктуры поверхностного слоя пера лопатки после чистового высокоскоростного фрезерования проводились на

© А. В. Богуслаев, А.Я. Качан, С. В. Мозговой, Г. В. Карась, В. А. Панасенко 2006 г.

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2006 — 17 —

растровом электронном микроскопе иБМ-Т300. Испытания на усталость проводились по методике в соответствии с ГОСТ 25.502-79 "Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость". Предел выносливости лопаток определялся в соответствии с ОСТ 1.00870-77 стандартным методом. За предел выносливости принимали ту амплитуду напряжений, при которой без разрушения выдерживали заданную базу испытаний

(N = 108 циклов) шесть лопаток.

Содержание и результаты исследований

Точность формообразования аэродинамических

Рис. 2. Лопатки, вырезанные из моноколеса 2 ступени КНД

поверхностей лопаток осевого моноколеса компрессора низкого давления 2-ой ступени соответствует техническим условиям на изготовление [5].

Шероховатость полученных поверхностей спинки и корыта лопаток после чистового высокоскоростного фрезерования оказалась неравномерной и

изменялась в диапазоне Ка = 0,38...0,74 мкм. Для обеспечения стабильности шероховатости на требуемом уровне необходима дополнительная отработка условий, режимов фрезерования и параметров режущего инструмента (рис. 3).

После чистового высокоскоростного фрезерования в поверхностном слое пера лопатки образуются остаточные напряжения сжатия, величина которых на расстоянии 2 мкм от поверхности составляет 212...260 МПа. Глубина распространения остаточных напряжений сжатий составляет 30...35 мкм (рис. 4).

Рис. 3. Распределение шероховатости (Яа, мкм) по поверхности корыта (а) и спинки (б) пера лопатки после чистового высокоскоростного фрезерования

Рис. 4. Распределение остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое после чистового высокоскоростного фрезерования

Исследования показали, что микроструктура лопатки по всему сечению пера равноосная и состоит из а и а + р фаз. Структура поверхностного слоя пера в результате высокоскоростного фрезерования видимых изменений не претерпела. Границы зерен и пластин р фазы при выходе на поверхность свою направленность не изменили (рис. 5).

Установлено, что разрушение лопатки при испытаниях на усталость происходит от поверхности корыта пера на расстоянии ~ 4 мм от входной кромки. Очаг разрушения имеет линейный характер. Микрорельеф излома в очаговой зоне разрушения почти полностью смят от касания стенок развива-

Рис. 5. Микроструктура поверхностного слоя лопатки из колеса 2 ст. КНД, обработанного высокоскоростным фрезерованием

ющейся трещины в процессе усталостных испытаний (рис. 6).

Излом в зоне избирательного развития трещины имеет фасеточный микрорельеф, что является характерным для усталостного разрушения титановых сплавов (рис. 7).

Форма и направленность фасеток отражает структуру материала и условия нагружения при испытании. Усталостные бороздки в начальной зоне разрушения не обнаружены.

Значение предела выносливости лопаток моноколеса 2-ой ступени КНД авиадвигателя Д-27 после чистового высокоскоростного фрезерования (без упрочнения) составляет ст-1 = 490 МПа при 100 млн

...... Ш

Рис. 6. Фрактограммы очаговой зоны усталостного излома лопатки из колеса 2 ст. КНД, обработанного методом высокоскоростного фрезерования, при различных увеличениях

Рис. 7 Фасеточный микрорельеф усталостного разрушения лопатки из колеса 2 ст. КНД, обработанного высокоскоростным фрезерованием, вдали от очага разрушения

циклов.

Перспективы дальнейших исследований

Дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение влияния режимных параметров процесса обработки, технологических условий, геометрических параметров инструмента на стабильность шероховатости обрабатываемых поверхностей моноколеса методом высокоскоростного фрезерования.

Заключение

Полученные результаты показывают, что высокоскоростное фрезерование особо сложных пространственных поверхностей моноколеса 2-ой ступени КНД авиадвигателя Д-27 обеспечивает несущую способность лопаток моноколес ГТД на достаточно высоком уровне. Установлено также, что в процессе обработки несущих поверхностей наблюдается нестабильность шероховатости. Это связано как с особенностями геометрии осевых моноколес, так и с технологией их обработки.

Список литературы

1. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора, часть 1. Монография / Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М., Жеманюк П.Д. и др. Запорожье: изд. ОАО "Мотор Сич", 2003. - 396 с.

Богуслаев А.В., Качан А.Я., Карась В.П. Высокоскоростное финишное фрезерование лопаток моноколес // Вестник двигателестроения, 2002. - №1. - С. 110-111. Жеманюк П.Д., Мозговой В.Ф., Качан А.Я., Карась В.П. Формирование сложнопрофильных поверхностей моноколес высокоскоростным фрезерованием // Газотурбинные технологии. - 2003. - №5(26). - С. 18-21.

4. Жеманюк П.Д., Богуслаев А.В., Мозговой С.В., Карась Г.В., Качан А.Я. Формообразование сложнопрофильных поверхностей осевого моноколеса с широкохордными лопатками высокоскоростным фрезерованием // Вестник двигателестроения. - 2004. - №3. - С. 16-19.

5. Жеманюк П.Д., Богуслаев А.В., Мозговой С.В., Карась Г.В., Качан А.Я. Обработка проточных поверхностей моноколес высокоскоростным фрезерованием // Авиационно-космическая техника и технология. - 2004. - №7 (15). - С. 215-219.

Поступила в редакцию 26.05.2006 г.

2.

3.

EKcnepuMeHmanbHO 3HaudeHi ochobhi' napaMempu HKOcmi Hecyvux noBepxoHb M0H0K0nec nicnn BucoKouiBudKicHoao $>pe3epyBaHHH.

The main parameters of quality of bearing surfaces of axial monowheels after high-speed milling are experimentally determined.

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2006

- 19 -