Качество поверхности при высокоскоростном фрезеровании лопаток компрессора из титанового сплава ВТ8

УДК 621.452

Н. В. Сахнюк, А. Я. Качан

КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ФРЕЗЕРОВАНИИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ8

Экспериментально определены параметры качества несущих поверхностей лопаток компрессора из титанового сплава ВТ8 после высокоскоростного фрезерования.

Авиадвигателестроение является одной из наукоёмких отраслей машиностроения, воплотивших в себе передовые тенденции в научно-техническом и технологическом развитии современного производства. Дальнейшее развитие авиадвигателес-троения невозможно без высокотехнологичных методов обработки, применения точного высокопроизводительного и высокоскоростного оборудования, инновационных технологий. Сложность проблем авиадвигателестроения обусловлена как трудностью обработки материалов деталей ГТД, сложностью их формы, так и высокими требованиями к точности и шероховатости поверхностей деталей.

Одними из наиболее нагруженных и труднообрабатываемых деталей газотурбинных двигателей являются лопатки компрессора, определяющие долговечность модуля узла компрессора и двигателя в целом.

В современных двигателях лопатки компрессора изготавливаются из титановых сплавов, чувствительных к концентрации напряжений, что требует недопущения при механической обработке случайных рисок и царапин, т.е. технология производства может оказать решающее влияние на их надежность.

Поскольку разрушение лопаток при эксплуатации, как правило, начинается с поверхности, то формирование благоприятных характеристик поверхностного слоя лопаток компрессора и повышение предела выносливости необходимо решать технологическими методами на стадии их изготовления.

Существующая серийная технология изготовления рабочих лопаток компрессора (метод холодного вальцевания) и методы оптимизации параметров их поверхностного слоя позволяют обеспечивать их динамическую прочность. Однако, она имеет свои недостатки: различная деформация у корневого сечения и на кромках лопаток, вызывающая растягивающие напряжения и структурные преобразования (которые необходимо стабилизировать термической и последующей отделочно-упрочняющей обработкой), достаточная трудоемкость, высокий процент брака (до 38 %), а также большие затраты при технологической подготовке производства [1].

Вместе с тем, возрастающие требования к надежности, увеличению ресурса и более жестких

© Н. В. Сахнюк, А. Я. Качан 2006 г.

эксплуатационных режимов ГТД приводит, с одной стороны, к созданию новых конструкций компрессоров, с более высоким уровнем характеристик, с другой стороны, для увеличения ресурса работы ГТД выдвигаются требования повышения эффективности их ремонтного производства. Эти требования могут быть эффективно осуществимы только в условиях гибкого, быстропереналаживаемого производства на базе современного высокопроизводительного оборудования.

Наиболее перспективным методом формообразования поверхностей лопаток, который получил распространение как в нашей стране, так и за рубежом, является высокоскоростное фрезерование (ВСФ) [2-5].

Новая технология производства рабочих лопаток компрессора, включает в себя: применение новейших 5-ти координатных высокоскоростных обрабатывающих центров; использование любых типов заготовок (проката, поковок, штамповок); полную механическую обработку пера лопаток с одной установки.

Целью исследования являлось комплексное экспериментальное определение параметров качества несущих поверхностей лопаток компрессора из титанового сплава ВТ8 после их формообразования высокоскоростным фрезерованием.

Исследования параметров качества поверхности производили на лопатках II ступени КВД дв.ви-гателя Д-36, изготовленных из титанового сплава ВТ8, на которых определяли точность геометрии и формы, шероховатость, микротвердость, микро-труктуру и остаточные напряжения.

Механическая обработка лопаток производилась на высокоточном 5-ти координатном обрабатывающем центре Starrag SX-051B/C по технологии, изложенной в работе [6].

Шероховатость поверхности лопаток определяли путем снятия профилограмм с помощью профи-лографа модели 201. Шероховатость определяли как со стороны спинки, так и со стороны корыта пера лопатки.

Оценку степени наклепа поверхностей лопатки производили на косых шлифах с углом наклона 4,76 °, полученных из плоских образцов размером 5x5 мм, вырезанных из средней части пера лопаток.

/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006

81

Измерения микротвердости производили со стороны спинки лопаток, с помощью прибора ПМТ-3 при нагрузке на алмазную пирамиду Р = 50 Г. Величину микротвердости определяли как среднеарифметическое значение по десяти отпечаткам инден-тора правильной формы в различных точках шлифа. Глубину наклепа Ь5 определяли графическим методом по зависимости Н ц - ь. Степень наклепа определяли как отношение разности микротвердости поверхности и сердцевины к микротвердости сердцевины лопатки.

Определение остаточных напряжений на пере лопаток (со стороны спинки) производили механическим методом (путем последовательного снятия слоев металла электрополированием), разработанным акад. Н.Н. Давиденко на призматических образцах, с использованием прибора ПИОН-2. Образцы размером 41 х8 мм .вырезали из лопаток электроэрозионным методом на расстоянии 6 мм от входной кромки (примерно посредине пера).

Исследование микроструктуры поверхностного слоя пера лопаток проводились на растровом электронном микроскопе иБМ-Т300 на шлифах образцов, вырезанных из пера лопаток (средняя часть спинки).

Результаты исследований показали, что точ-

ность формообразования аэродинамических поверхностей лопаток компрессора, обеспечиваемая после ВСФ, достигает величины не ниже 0,01 мм и соответствует требованиям, предъявляемым техническими условиями на их изготовление. В процессе обработки обеспечивается плавность перехода поверхностей спинки и корыта пера, входных и выходных кромок, а также поверхностей прикорневой зоны лопаток.

Шероховатость поверхностей спинки и корыта лопаток после ВСФ неравномерная, имеются риски и микронадрывы, присущие лезвийной обработке (рис. 1), и изменяется в диапазоне Ща

= 0,8......3,2 мкм (рис. 2) в результате обработки

различными инструментами прикорневой зоны и пера (рис. 3, а). Стабильность шероховатости в дальнейшем обеспечивается технологией финишной обработки [7] (рис. 3, б), для выполнения которой на профиле пера предусмотрен припуск 0,03 мм.

а б

Рис. 1. Поверхность лопатки компрессора после ВСФ: а - перо; б -прикорневая зона х20

аб Рис. 2. Распределение шероховатости (Щ мкм) по поверхности корыта (а) и спинки (б) пера лопатки после ВСФ

Как видно из графика (рис. 4) микротвердость поверхности лопаток составляет 3825 МПа, сердцевины - 3250 МПа, следовательно, после ВСФ образуется упрочненный слой, глубина которого 9,8 мкм, соответственно степень наклепа - 17,5 %.

После ВСФ в поверхностном слое пера лопаток образуются остаточные напряжения сжатия, величина которых у поверхности не превышает 280 МПа, а на расстоянии 10 мкм от поверхности максимальна и составляет 297 МПа. Глубина распространения остаточных напряжений сжатия составляет 35 мкм (рис. 5).

И, мкм

Рис. 4. Распределение микротвердости по глубине поверхностного слоя лопатки после ВСФ

И.мкм

0 5 10 15 20 25 3D 35 40 45

0 ..........................frlp^Xf

-100 - / ГС f

щ -200 - /

¿ / -300 -t———

-400 -

Рис. 5. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое пера лопаток после ВСФ

Исследованием микроструктуры установлено, что структурные изменения в виде неравномерного газонасыщенного слоя наблюдаются только в зоне электроэрозионного реза. Глубина слоя 0,008......0,016 мм.

Микроструктура лопатки по всему сечению пера равноосная, состоящая из а и а + р фаз. Структура поверхностного слоя пера в результате высокоскоростного фрезерования видимых изменений не претерпела. Границы зерен и пластины р-фазы при выходе на поверхность свою направленность не изменили (рис. 6).

Labl '-< 5|im

ínonx kVrJO l'ür:«

Рис. 6. Микроструктура поверхностного слоя

Полученные результаты показывают, что высокоскоростное фрезерование лопаток компрессоров из титанового сплава ВТ 8 обеспечивает формирование параметров качества их несущих поверхностей на достаточно высоком уровне.

Установлено также, что в процессе обработки указанных поверхностей наблюдается нестабильность шероховатости, которая стабилизируется последующей финишной обработкой.

Список литературы

1. Елисеев Ю.С., Крымов В.В., Поклак Е.В. Изготовление лопаток компрессоров холодной пластической деформацией. // Газотурбинные технологии. - 2000. - № 3.

2. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора, часть 1. Монография /

ISSN1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006

83 -

Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М., Жеманюк П.Д. и др. Запорожье: изд. ОАО "Мотор Сич", 2003. - 396 с.

3. ОАО "Завод турбинных лопаток". Организация производства турбинных лопаток. www.ztl.ru/ rtech.htm.

4. Жеманюк П.Д., Мозговой В.Ф. Качан А.Я., Карась В.П. Формообразование сложнопрофиль-ных поверхностей моноколес высокоскоростным фрезерованием // Газотурбинные технологии. - 2003. - №5 (26) - С. 18-21.

5. Сахнюк Н.В., Яценко В.К., Зиличихис С.Д. Технологические особенности изготовления лопаток компрессора методом высокоскоростного фрезерования. // Надмнють Ыструменту та оптимiзацiя технолопчних систем. Зб. наук. праць. - Краматорськ: ДДМА, вип. № 16. -

2004. - С. 126-131.

6. Сахнюк Н.В., Качан А.Я., Зиличихис С.Д., Леонтьев В.А. Анализ технологических процессов формообразования профиля пера лопаток компрессора. // Технологические системы. -Киев. - №1 (14). - 2006. - С. 65-70.

7. Сахнюк Н.В., Кондратюк Э.В., Зиличихис С.Д., Гребенников М.А., Орлов М.Р. Регулирование физико-механических характеристик лопаток компрессора, полученных методом высокоскоростного фрезерования. // Вестник двигателестроения. Запорожье. - № 4. -2004. - С. 125-129.

Поступила в редакцию 26.05.2006 г.

Експериментально визначен1 параметри якост1 несучих поверхонь лопаток компресо-ра з титанового сплаву ВТ8 п1сля високошвидюсного фрезерування

Parameters of quality of bearing surfaces of the compressor's blades from titanic alloy ВТ8 after high-speed milling are experimentally determined.