Особенности технологии обработки дисков ГТД из жаропрочных сплавов на обрабатывающих центрах

УДК 621.452.3

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

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ДИСКОВ ГТД ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРАХ

Рассмотрена обработка сложных поверхностей дисков ГТД из жаропрочных сплавов на современном высокоскоростном оборудовании с использованием достижений инструментального производства. Даны описания применения 3-х координатного оборудования для обработки деталей авиационных двигателей.

Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами

Высокотехнологичное производство деталей ГТД обусловливает принятие и реализацию новых технологических решений для достижения результата с максимальной эффективностью. Перспективными технологическими решениями является использование современного высокопроизводительного оборудования и режущего инструмента, оснащенного твердыми сплавами с высокими режущими свойствами. На ОАО «Мотор Сич» активно внедряются высокопроизводительное оборудование и современный режущий инструмент.

Обзор публикаций и анализ нерешенных проблем

Результаты оптимизации режимов резания жаропрочных сплавов на токарных станках с ЧПУ и основные принципы подбора режущего инструмента были рассмотрены и описаны во многих научно-технических работах и статьях. В работах [1, 2, 3, 4, 5] показаны особенности токарной обработки сложноп-рофильных поверхностей из труднообрабатываемых сплавов. Однако, вопросы обработки жаропрочных сплавов на станках фрезерно-сверлильной группы в настоящее время рассмотрены недостаточно широко. В первую очередь, проблема касается комплексной обработки дисков на обрабатывающих центрах с ЧПУ.

Содержание и результаты исследования

Обработка дисков ГТД выполняется с применением 3-х координатных обрабатывающих центров с ЧПУ. В условиях современного производства контурное фрезерование на станках с ЧПУ является одной из распространенных операций механической обработки. Применение числового программного управления и его современные возможности позволяют оптимизировать процесс резания методом гибкого регулирования подачи и скорости резания в процессе работы станка.

Обработка дисков из жаропрочных сплавов на фрезерных обрабатывающих центрах с ЧПУ связана с низкой обрабатываемостью материала, что обусловлено их высокими физико-механическими свойствами. Жаропрочные сплавы можно классифицировать в зависимости от сочетания их физико-механических свойств: высокая твердость и прочность материалов; низкая теплопроводность в сочетании с высокой прочностью. Стружкообразование при обработке жаропрочных сплавов сопровождается интенсивными упругими, пластическими деформациями и тепловыми явлениями.

Происходит также и интенсивное трение с инструментальным материалом, которое одновременно с большим давлением и высокой температурой в зоне контакта воздействует на режущую кромку инструмента. Тепловые потоки в зоне контакта вызывают возникновение градиента напряжений и температур, что инициирует протекание диффузии, адгезии, электрических и магнитных явлений. Эти явления оказывают существенное влияние на роботос-пособность режущего инструмента и, в первую очередь, на его стойкость. Стойкость инструмента неразрывно связана с качеством обработанной поверхности детали. Высокие требования к обеспечению жесткости системы СПИД обусловливают тщательный подход к выбору оборудования и инструмента. Технологический процесс комплексной фрезерной обработки диска (рис. 1) включает операции сверления и контурного фрезерования ступицы колеса.

Рис. 1. Математическая модель диска КВД заднего лабиринта ГТД

© В. А. Панасенко, А. Я. Качан, С. В. Мозговой, Г. В. Карась, 2008 - 68 -

Диск КВД выполнен из жаропрочного сплава ЭИ698-ВД (ХН73МБТЮ-ВД). По сравнению с таким известным сплавом как ЭИ-437Б (ХН77ТЮР-ВД), рассматриваемый сплав является более прочным, а коэффициент обрабатываемости его ниже указанного сплава. Так, если при точении сплава ЭИ-437Б пластинкой ВК10ХОМ коэффициент обрабатываемости по данным НИАТа составляет Kv = 0,32, то для сплава ЭИ698-ВД он составляет Kv = 0,14.

Фрезерование ступицы дисков осуществлялось на станке МА-655 фрезами из быстрорежущей стали Р18. Стойкость фрез при этом составляла Тст = 10...15 мин. Для обеспечения высокой стойкости инструмента и стабильности процесса резания, а также соблюдения всех технологических и конструкторских параметров при одновременном сокращении цикла обработки необходимо было выбрать оптимальный режущий материал. Обработка диска проводилась на 3-х координатном фрезерном центре фирмы HURON К2Х20 со стойкой Sinumerik-840D (рис. 2). Конструкция станка содержит фиксированный портал, расположенный над станиной, и подвижный стол (ось X) размерами 1200х 1000 мм. Выдвигающийся суппорт (ось Z) имеет встроенный электрошпиндель. Станок позволяет вести высокопроизводительную обработку в диапазоне от 100 до 18000 об/мин с обеспечением точных размеров, благодаря своей жесткой конструкции. Магазин инструментов имеет 20 позиций, что расширяет технологические возможности станка. Инструмент устанавливается в базовые модули HSK-63A. После обработки на станке К2Х20 фрезой из сплава H10F (SANDVIK) шероховатость и точность обработанных поверхностей диска не соответствовали требованиям чертежа.

По результатам опытно-экспериментальных работ был подобран режущий материал для чернового и

чистового фрезерования. Черновое фрезерование выполнялось 2-х зубой фрезой диаметром 20 мм Coro Mil 390 R390-020B20-11M (SANDVIK) (рис. 3) с механическим креплением твердосплавных пластин R390-11T316E-MM (рис. 4). Материал пластин - твердый сплав GC2015.

Рис. 3. Концевая фреза Coro Mill 390

Обработка детали по высоте проводилась за пять уровней на режимах: n = 380 об/мин и F = 50 мм/мин с оставлением припуска на сторону -0,2 мм, и по дну - 0,5 мм. За счет применения указанных режущих пластин улучшилось качество предварительно обработанной поверхности, а машинное время чернового фрезерования снизилось в 2 раза относительно существующего при значительном увеличении стойкости инструмента.

Рис. 2. Фрезерный 3-х координатный обрабатывающий центр K2X20

Рис. 4. Пластины для фрез Coro Mil 390

В условиях производства при фрезеровании дисков из жаропрочного сплава также была испытана цельная твердосплавная фреза диаметром 20 мм EC200B38-4C20R1.5 фирмы ISCAR (рис. 5). Фреза выполнена из твердого сплава IC908. Геометрия фрезы: z = 4, длина режущей части 38 мм, общая длина 92 мм, угол винтовой линии 45 °, R1,5мм. Обработка велась на режимах: n = 300 об/мин, t = 3 мм, F = 60 мм/мин. Стойкость фрезы составила 210 мин. Машинное время обработки детали сократилось почти в 3 раза. Таким образом, одна фреза обрабатывала 2-3 детали.

Рис. 5. Фреза EC200B38-4C20R1.5 фирмы ISCAR

Для чистового фрезерования была испытана и применена 5-ти зубая концевая твердосплавная фреза диаметром 15 мм и радиусом при зубе 2,5мм из твердого сплава KFC K44 EF (KONRAD CARBID). Физико-механические свойства твердого сплава приведены в таблице 1. Фреза была изготовлена на 5-ти координатном заточном станке фирмы JUNGER.

Таблица 1 - Физико-механические свойства твердого сплава KFC K44 EF

Процент содержания кобальта, Co, % Твердость Предел прочности при изгибе, МПа Размер зерна, мкм

HV, МПа HRA

12,0 1680 92,5 > 4000 0,5

Чистовое фрезерование проводилось по контуру детали с использованием коррекции на радиус инструмента (рис. 6). Обработка проводилась с подачей СОТС. Повышение производительности процесса резания было достигнуто за счет рационального использования возможностей применяемых концевых фрез, назначением соответствующих подач для конкретных участков обрабатываемой поверхности, что обеспечило постоянную величину напряжений в режущем инструменте, погрешность обработки и другие заданные условия. Используя возможности программирования стойки 8тишепк-840Б, осуществлялся автоматический пересчет подачи при круговой интерполяции для центра инструмента, выдерживая постоянной рабочую подачу на режущей кромке фрезы. Благодаря этому, существенно повысилась точность и производительность механической обработки, стабильность геометрических размеров, что положительно отразилось на качестве сборки изделия. Снизилось влияние человеческого фактора в сложном технологическом процессе изготовления дорогостоящих и ответственных деталей ГТД.

При проектировании фрезерной обработки использовалась система геометрического моделирования и программирования ГеММа-3Б, которая позволила существенно сократить сроки подготовки управляющих программ.

Рис. 6. Проектирование фрезерования в системе ГеММа-3Э

При чистовом фрезеровании (рис.7) наилучшие результаты были достигнуты при следующих режимах обработки: V = 17 м/мин; Е = 30 мм/мин; п = 360 об/мин. Полученные результаты исследования процесса обработки жаропрочных сплавов подтвердили активное проявление адгезионных процессов по задней и передней поверхности режущих пластин. Эти процессы оказывают наибольшее влияние на фактическую стойкость режущего инструмента. Результаты сравнительных испытаний стойкости инструмента из различных материалов приведены в таб-

Рис. 7. Чистовое фрезерование диска на станке К2Х20

лице 2.

Таблица 2 - Результаты сравнительных испытаний фрез из различных материалов-

Наименование параметра

Качество обработанной поверхности, Ra, мкм

Износ режущей кромки, мм

Стойкость, мин

Марка твердого сплава

Р18

1-1,6

0,3-0,6

15-20

H10F

0,7-0,9

0,1-0,3

10-15

AF K44 EF

0,6-0,7

0,1-0,2

120-160

Главными оценивающими параметрами инструмента явились степень износостойкости и способность фрезы обеспечивать требуемые параметры обработки. При этом критерием отбора явилась устойчивость процесса резания, стабильный стружко-отвод и высокое качество поверхности (рис. 8).

На станке установлен моторшпиндель с диапазоном частоты вращения п = 50-20000 об/мин (рис. 10). Магазин инструментов рассчитан на 46 инструментов с базовыми держателями по НЕК-63А. Высокие скорости холостых перемещений исполнительных механизмов станка позволили значительно сократить машинное время обработки.

Рис. 8. Диски, обработанные фрезами ЛБ К44 ЕБ

Наряду с рассмотренным станком для выполнения фрезерных и сверлильных операций успешно применяется 3-х координатный обрабатывающий центр Р1СОМЛХ-95 с системой управления ИЕГОЕШЛЖ ГШС 530 (рис. 9). Станок снабжен моторшпинделем и отличается повышенной жесткостью станины, высокими скоростями перемещений исполнительных органов и высокой точностью позиционирования шпинделя. Размеры стола станка 1600x550 мм позволяют обрабатывать крупногабаритные детали. Конструкция станка имеет расширенную рабочую зону по оси «2», что дает возможность устанавливать и обрабатывать детали высотой до 600 мм.

Рис. 9. Фрезерный 3-х координатный обрабатывающий центр PICOMAX-95

Рис. 10. Моторшпиндель станка PICOMAX-95

Ранее сверление отверстий в дисках из жаропрочных сплавов представляло сложную технологическую задачу, обусловленную труднообрабаты-ваемостью материала, необходимостью обеспечения точности взаимного расположения отверстий и требуемой шероховатости поверхности. Погрешность взаимного расположения отверстий диаметром 10,35+0 07 на диаметре 250 мм составляет 0,03 мм. Сверление сквозных отверстий диаметром 10,35 мм и глубиной 20 мм в ступице диска из титанового сплава ВТ8 заключается в методе постепенного приближения к размерам готового отверстия. Технологический процесс образования отверстий включает следующие технологические переходы:

- центрирование;

- сверление отверстие сверлом диаметром 9,5 мм с подачей F = 6-10 мм/мин и n = 180 об/мин;

- расфрезеровка отверстий фрезой диаметром 10мм для придания перпендикулярности оси отверстия;

- окончательное расстачивание отверстий, используя последовательно две расточные головки диаметром 10,15 мм и диаметром 10,35 мм фирмы SANDVIK (рис. 11). Микрорезцы изготовлены с механическим креплением пластин. Пластины выполнены из твердого сплава GC1015, GC1020, GC1025.

Резцы крепятся в расточные балансируемые базовые модули HSK-63A. За счет возможности радиального смещения инструмента внутри блока про-

Рис. 11. Высокоточная расточная оснастка фирмы 8АИОУ1К

изводилась настройка на растачиваемый диаметр. При настройке использовался микроскоп 20ЬЬБЯ (рис. 12). Изображение режущей кромки инструмента формировалось оптически с помощью телевизионной камеры и передавалось на монитор, а оцифровка осуществлялась лазерным длиномером относительно геометрической оси вращения инструмента с точностью до 0,001 мм. Точная настройка резцов осуществлялась микрометрическими винтами.

Для работы на современных фрезерных станках с высокооборотными шпинделями необходима динамическая балансировка инструментов и держате-

Рис. 12. Микроскоп 20ЬЬБЯ для настройки инструмента

лей. Центробежные силы несбалансированных держателей увеличивают нагрузку на подшипниковый узел шпинделя и снижают качество обработки деталей - точность операционных размеров и шероховатость обрабатываемой поверхности. Для получения наилучших результатов после установки инструмента в инструментальный блок проводили его балансировку на балансировочном станке фирмы 8ИШК (рис. 13).

Рис. 13. Динамическая балансировка инструмента на балансировочном станке

В процессе балансировки компенсировалось несимметричное распределение массы ротора. Компенсация дисбаланса выполнялась при помощи встроенных или спаренных балансировочных колец в строго определенном месте оправки. Для балансировки инструментальных державок и инструмента также применялись балансировочные кольца под различные диаметры цилиндрических оправок. Точ -ность балансировки задавалось критерием «в». Максимальный дисбаланс не превышал 2,5в. Если результат начального дисбаланса требовалось улучшить, то функции цикла балансировки снова активизировались до получения приемлемого результата.

Перспективы дальнейших исследований

Высокие технологии и успешная эксплуатация высокоскоростного оборудования с применением современной инструментальной оснастки позволяет получать качественно новые характеристики деталей. Исследования, проведенные в производственных условиях, показывают широкие возможности в расширении номенклатуры обрабатываемых деталей из жаропрочных сплавов на высокоскоростном оборудовании. Рассмотренные особенности технологии обработки дисков ГТД из жаропрочных сплавов могут быть использованы при дальнейших исследованиях в области обработки авиационных де-

талей для технологического обеспечения высокого

качества и надежности авиационных двигателей.

Перечень ссылок

1. Панасенко В. А., Петров С. А., Мозговой С.В., Карась Г.В. Особенности обработки деталей авиационных ГТД на станках с ЧПУ // Вестник двигателестроения, 2005. - № 1. - С. 138-144.

2. Макаров А. Д, Мухин В.С., Шустер Л.Ш. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов. - Уфа. -Учебное пособие, 1994. - 368 с.

3. Левин М.Ю., Лобанов В.М., Гринберг П.Б. Прочность твердосплавных пластин для черновой обработки жаропрочных сплавов // Станки и инструмент, 1990. - № 12. - С. 30-31.

4. Шатерин М.А., Ермолаев М.А., Самойленко В. Д. Силы и контактные нагрузки, действующие на заднюю поверхность режущего инструмента // Станки и инструмент, 1988. - № 3 - С. 28-30.

5. Кушнер В.С., Левин М.Ю., Гринберг П.Б., Лобанов В. М. Оптимизация по критерию прочности формы режущих пластин для чернового точения труднообрабатываемых материалов // Авиационная промышленность, 1991. - № 6. -С. 28-30.

Поступила в редакцию 22.02.2008

Розглянуто обробку складних поверхонь дисюв ГТД 1з жаромщних сплавгв на сучасному обладнаннi 1з застосуванням досягнень iнструментального виробництва. Описано при-клади застосування 3-х координатного обладнання для обробки деталей авiацiйних дви-гутв.

The high-velocity treating of complicated surfaces of disks of a turbine engine from high-temperature alloys on modern machinery with usage of reachings of tool production is reviewed. The specification statements of applying of 3D machineries for treating parts of aero-engines are given.