Технологическое обеспечение высокого качества поверхностного слоя пазов дисков турбин при протягивании

Макаров В.Ф., Чигодаев Н.Е., Токарев Д.И. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПАЗОВ ДИСКОВ ТУРБИН ПРИ ПРОТЯГИВАНИИ

Повышение эффективности и качества обработки в машиностроительном производстве является приоритетным направлением на современном этапе научно-технического прогресса. Это относится в том числе и к одной из самой сложной, наукоемкой и дорогостоящей отрасли машиностроения -авиационному двигателестроению. Сегодня это наиболее актуально для такого особого класса сложнейших машин и механизмов, как газотурбинные двигатели (ГТД) для авиации, наземных энергетических и газоперекачивающих установок.

В процессе эксплуатации большинство деталей и узлов газотурбинных двигателей испытывает высокие температурные нагрузки от газового потока, значительные статические, динамические и вибрационные нагрузки, влияние агрессивных сред и др. Поэтому для обеспечения высокой прочности, долговечности деталей ГТД применяют специальные сложнолегированные высокопрочные стали и сплавы, достаточно сложные прецизионные конструктивные формы деталей, особенно их соединений.

Основными узлами газотурбинных двигателей являются компрессоры низкого и высокого давления и газовые турбины, которые во время работы двигателя вращаются с высокой скоростью вокруг своей оси. В свою очередь узлы компрессора и турбины состоят из большого числа дисков и лопаток, соединенных с помощью специальных профильных замковых соединений. Общее число профильных замковых поверхностей дисков и лопаток из различных сталей и сплавов в одном газотурбинном двигателе составляет более 7000. Эти поверхности относятся к наиболее нагруженным и ответственным элементам ГТД.

Под действием центробежных сил в процессе эксплуатации профильная и замковая часть лопаток, межпазовые выступы дисков испытывают значительные растягивающие и изгибные напряжения. Под действием высокого давления газового потока замковые соединения подвергаются действию изгиба и кручения. От действия вибрационных нагрузок в замковых соединениях возникают значительные знакопеременные напряжения, частота которых меняется в широких пределах.

С увеличением мощности двигателя напряженность элементов замковых соединений еще больше растет. Эта напряженность усиливается от действия значительных тепловых нагрузок. Например, лопатки турбин работают при температуре более 1600оК, а лопатки компрессора в зависимости от расположения на пути газового тракта - от 5000 до 900ОК. Нагрев двигателя при запуске и быстрое охлаждение при его остановке порождают циклическое изменение термических напряжений.

В процессе механической обработки деталей ГТД помимо видоизменения формы и размеров заготовки происходит формирование особых свойств поверхностного слоя, его макро и микроструктуры, что непосредственным образом влияет на усталостную прочность, долговечность деталей и, в конечном счёте, на надёжность и ресурс работы газотурбинных двигателей. Окончательное формирование основных параметров качества поверхностного слоя и усталостной прочности деталей ГТД происходит на чистовых финишных операциях механической обработки, к которым относится и процесс протягивания.

Протягивание - это наиболее высокопроизводительный процесс окончательной лезвийной обработки, обеспечивающий выполнение повышенных требований по точности, шероховатости и физико-химическим свойствам поверхностного слоя.

Очень часто операции протягивания являются узким местом при производстве ГТД из-за весьма низкой стойкости протяжек, недостаточной производительности, неудовлетворительного качества протянутой поверхности, особенно при освоении производства деталей из новых труднообрабатываемых материалов. Традиционно протягивание деталей ГТД производится на весьма низких скоростях резания с применением протяжек из быстрорежущих сталей. Так, например, при протягивании 73 елочных пазов в дисках турбин из жаропрочного сплава ЭП7 41НП протяжками из быстрорежущей стали Р18 на скорости резания 1,5-2 м/мин общее время обработки составляет более 24 часов. При этом стойкость протяжек составляет не более одного диска.

Сокращение трудозатрат, снижение себестоимости обработки, повышение качества и ресурса работы деталей достигается внедрением новых более эффективных технологических процессов или значительным совершенствованием применяемых процессов, особенно на чистовых, финишных операциях обработки резанием.

Одним из путей повышения эффективности финишной механической обработки деталей ГТД является разработка, исследование и внедрение такого высокопроизводительного процесса, как скоростное протягивание твердосплавными протяжками.

В настоящее время широкое применение повышенных скоростей протягивания и твердосплавных протяжек для обработки деталей из труднообрабатываемых материалов сдерживается из-за отсутствия теоретических основ, практических разработок и проверенных на практике технических рекомендаций и методик. В связи с актуальностью этой проблемы, в настоящей работе проведено сравнительное исследование влияния традиционного протягивания на низких скоростях резания быстрорежущими протяжками и скоростного протягивания твердосплавными протяжками на формирование основных параметров качества поверхностного слоя пазов дисков турбин, таких как глубина и степень наклепа, остаточные напряжения, микроструктура и шероховатость, а также влияние этих параметров на усталостную прочность деталей.

Исследование влияния режимов протягивания на глубину и степень наклепа.

В процессе обработки резанием поверхностный слой металла подвергается упрочнению под действием пластической деформации в зоне резания [7, 8]. Для рассмотрения влияния режимов протягивания на

глубину и степень наклепа в поверхностном слое, проведено протягивание в производственных условиях пазов в дисках турбин и компрессоров из различных жаропрочных сталей и сплавов многосекционными быстрорежущими и твердосплавными протяжками. После протягивания из боковой наиболее нагруженной при эксплуатации поверхности пазов в дисках вырезались прямоугольные образцы электроискровым методом.

Проведение исследований наклепа на образцах, вырезанных из конкретных обрабатываемых деталей, дает наиболее реальную картину распределения этих параметров в поверхностном слое деталей, учитывающую все основные особенности технологического процесса серийного производства, т.е. влияние жесткости станка, приспособлений, конфигурацию детали, способ крепления, плавность рабочего хода протяжки, а самое главное - последовательность снятия припуска предварительными протяжками по генераторной или профильной схеме резания и окончательными протяжками по профильной схеме с соответствующим изменением величины подач на зубьях протяжек.

На Рис.1 приведены сравнительные результаты исследования глубины h и степени N наклепа поверхностей пазов в дисках компрессора из различных жаропрочных сталей и сплавов, протянутых на обычных режимах (У=2м/мин, Р18) и скоростных (У=2 6 м/мин, ВК8).

При скоростном протягивании пазов в дисках компрессоров из жаропрочной стали ЭИ9 61Ш, наблюдается увеличение степени наклепа N с 4% до 9% и одновременное снижение глубины наклепа h с 25 мкм до 8 мкм.

При скоростном протягивании пазов в дисках компрессоров из титановых сплавов ВТ9, ВТ18У

наблюдается снижение и глубины h и степени N наклепа. При скоростном протягивании ВТ9 степень наклепа N уменьшается с 22% до 8%, а глубина наклепа h с 22 мкм до 15 мкм по сравнению с серийным режимом протягивания. При скоростном протягивании ВТ18У степень наклепа N уменьшается с 10% до 4%, а глубина наклепа h с 4 6 мкм до 30 мкм по сравнению с серийным режимом.

При скоростном протягивании пазов в дисках турбин из деформируемых жаропрочных сплавов

ЭИ437БУВД, ЭИ698ВД, ЭП7 42ПД степень наклепа N изменяется в большую или меньшую сторону в незначительных пределах, при этом глубина наклепа h увеличивается (Рис.1).

Таким образом, процесс скоростного протягивания деталей из жаропрочных сталей и сплавов в

целом благоприятно влияет на формирование в поверхностном слое глубины и степени наклепа,

особенно при обработке пазов в дисках компрессоров из титановых сплавов.

Рис. 1. Гистограммы изменения глубины h и степени N наклепа поверхностей пазов в дисках компрессоров из титановых сплавов и из жаропрочных сталей и сплавов, протянутых на У=2м/мин

и У=2 6м/мин (ВК8).

Исследование влияния режимов протягивания на формирование остаточных напряжений.

В процессе резания под действием силового и температурного факторов в поверхностном слое обрабатываемых деталей изменяется напряженное состояние металла. Замечено, что под действием силового фактора образуются в основном сжимающие остаточные напряжения, а под действием температурного фактора - растягивающие [1,4,8]. Считается, что значительные растягивающие остаточные напряжения способствуют образованию микротрещин в поверхностном слое. В дальнейшем под действием тепловых, динамических и вибрационных нагрузок при эксплуатации эти микротрещины могут развиваться в крупные трещины с последующим разрушением деталей.

Проведен анализ влияния обычных (У=2м/мин, Р18) и скоростных (У=2 6 м/мин, ВК8) режимов резания при протягивании пазов в дисках из различных жаропрочных сталей и сплавов на характер распределения тангенциальных (вдоль пути резания) остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя. Исследования проводились на образцах, вырезанных из пазов в дисках, на приборе ПИОН-2 (по методике Н. Н. Давиденкова) [1].

При протягивании пазов в дисках компрессора из жаропрочной стали ЭИ9 61Ш как на обычных, так и на скоростных режимах резания, обнаружены практически одинаковые сжимающие напряжения (-4 0- (-50) МПА) и незначительные растягивающие остаточные напряжения (Рис. 2, А).

При скоростном протягивании пазов в дисках компрессора из титановых сплавов ВТ 9 и ВТ18У по сравнению с обычным режимом протягивания наблюдается уменьшение глубины залегания максимальных остаточных напряжений с одновременным возрастанием их величины. Максимальные значения ах для сплава ВТ9 возрастают с -40 МПА до -110 МПА, а для сплава ВТ18У сжимающие -190 МПА переходят в растягивающие +180 МПА (Рис. 2, Б).

При скоростном протягивании елочных пазов в дисках турбин из деформируемых сплавов ЭИ4 37БУВД, ЭИ6 98ВД наблюдается формирование значительных сжимающих напряжений (-380 и -320 МПА соответственно) по сравнению с обычным режимом протягивания, при котором образуются незначительные остаточные растягивающие напряжения (+70 и +130 МПА соответственно). При протягивании елочных пазов в дисках из сплава ЭП7 4 2ПД изменение скорости протягивания от 2 м/мин до 15 м/мин и замена протяжек из Р18 на ВК8 практически не влияют на характер формирования остаточных напряжений (Рис. 3).

Таким образом, процесс скоростного протягивания деталей из жаропрочных сталей и сплавов способствует формированию в поверхностном слое более благоприятных остаточных напряжений из-за формирования больших по величине сжимающих напряжений.

Рис.2. А) Распределение остаточных напряжений ах по глубине h поверхностного слоя пазов в дисках из компрессора стали ЭИ9 61Ш, протянутых на низких (2 м/мин, Р18) и повышенных (26 м/мин, ВК8) скоростях резания. Б) Результаты определения поверхностных остаточных напряжений в пазах дисков компрессора из титановых сплавов ВТ9 и ВТ18У по максимальной величине Стах и глубине ее

расположения ^ах •

Исследование микроструктуры и химсостава поверхностного слоя деталей, обработанных на различных скоростях резания.

Известно, что в процессе обработки металлов резанием под действием теплового и силового факторов возможно изменение микроструктуры, химического и фазового состава тонкого поверхностного слоя деталей [7].

Рис.3. Характер распределения остаточных напряжений ах по глубине поверхностного слоя h елочных пазов дисков турбин из сплавов ЭИ437БУВД, ЭИ698ВД, ЭП7 42ПД, протянутых на серийной

и повышенной (2 6м/мин, ВК8) скоростях резания.

Исследование микроструктуры поверхностного слоя проводилось на поверхностях косого среза, на поперечных и продольных микрошлифах, на полированной поверхности детали, после обработки протягиванием. Для исследования вырезались образцы из конкретных замковых поверхностей пазов дисков. Визуальное наблюдение и фотографирование проводилось с помощью металлографического микроскопа МИМ-7, микроскопов ПМТ-3 и МИР-2, электронного растрового микроскопа РЭМА-2 02.

Сравнение микроструктуры в трапециидальных пазах дисков компрессора из титановых сплавов ВТЗ-1 и ВТ18У, протянутых по серийной технологии (Р18, У=2м/мин) и скоростным методом (ВК8, У=26 м/мин) показало, что значительных микроструктурных изменений в тонком поверхностном слое не происходит по всему контуру профиля.

Исследование микроструктуры "елочных" пазов в дисках турбин из жаропрочных сплавов ЭИ4 37БУВД, ЭИ698ВД и ЭП7 42ПД показало значительные пластические деформации поверхностного слоя, искажение характера его микроструктуры. Структура тонкого поверхностного слоя представляет собой вытянутые в направлении движения резца зерна твердого раствора. При скоростном протягивании этих деталей деформация граничного слоя намного меньше по глубине залегания и степени искажения кристаллической решетки. Это согласуется с предыдущими динамическими исследованиями сил резания, которые уменьшаются с увеличением скорости резания. Значительных пластических деформаций, микротрещин, искажения профиля не обнаружено.

Таким образом, применение скоростного оптимального протягивания пазов дисков из различных жаропрочных сталей и сплавов не ухудшает структурно-фазового состояния поверхностного слоя деталей, а, в некоторых случаях, способствует даже улучшению по сравнению с протягиванием на низких серийных скоростях резания.

Кроме того, протягивание на низких скоростях резания приводит к усилению адгезионных вырывов инструментального материала и практически полному внедрению продуктов разрушения в обрабатываемый материал. Так как размер зерен инструментального материала не превышает 3 мкм, то отрыв инструментального материала происходит целыми блоками зерен.

С увеличением скорости резания до оптимального значения в поверхностный слой деталей переходит значительно меньше частиц инструментального материала, т.е. оптимальный по интенсивности износа протяжек режим резания с применением нового метода непрерывного резания в момент выхода протяжки из детали обеспечивает наименьшее изменение химсостава металла обработанной поверхности.

Исследование влияния режимов резания и геометрии протяжек на изменение шероховатости протянутой поверхности.

При протягивании шероховатость поверхности - это следы режущих и калибрующих зубьев протяжек, искаженные в результате термопластической деформации и сопутствующей процессу резания вибрацией системы СПИД. Величина шероховатости является обычно определяющим технологическим критерием процесса протягивания.

Исследование влияния режимов резания и геометрии протяжек на изменение шероховатости обработанной поверхности проводилось при протягивании как образцов в лабораторных условиях, так и конкретных деталей - дисков ГТД в производственных условиях.

Горбообразный характер зависимости шероховатости от скорости резания в теории резания известен давно [2]. Основной причиной резкого ухудшения шероховатости в диапазоне неблагоприятных скоростей резания многие исследователи называют усиление процесса наростообразования [3,7,8]. Применяемые на производстве скорости резания находятся на графиках левее зон неблагоприятных скоростей. Для всех обрабатываемых материалов, независимо от группы обрабатываемости, требование обеспечения шероховатости Ra< 1,25 мкм выполняется при весьма низких скоростях резания от 0,5 м/мин до 2 м/мин.

Особенно характерна такая закономерность при протягивании жаропрочных сталей мартенситного класса ЭП517Ш, ЭИ736Ш, ЭИ961Ш, ЭП609Ш и других. Протягивание этих сталей в зоне неблагоприятных

скоростей сопровождается значительным увеличением высоты микронеровностей (Рис.4). С увеличением подачи Sz c 0,005 мм/зуб до 0,06 мм/зуб величина шероховатости возрастает в 1,5-1,7 раза. С увеличением переднего угла у до 20о величина шероховатости снижается более чем в 2 раза. Изменение заднего угла а от 2° до 6° снижает Ra незначительно. При скоростном протягивании жаропрочных сталей (V > 2 4 м/мин) обеспечивается требуемая шероховатость Ra<1,25мкм независимо от подачи на зуб 0,02 мм/зуб или 0,1 мм/зуб.

Кроме того, при протягивании деталей из стали ЭИ9 61Ш меньшая величина шероховатости получена при использовании быстрорежущих (Р18), чем при использовании твердосплавных протяжек (ВК8). Это объясняется различной степенью адгезионного взаимодействия стали Р18 и сплава ВК8 с обрабатываемыми жаропрочными сталями, различной теплопроводностью Р18 и ВК8 и, следовательно, различной температурой контакта при одних и тех же режимах резания. Кроме того, у протяжек из Р18 после заточки значения радиусов округления режущих кромок р =8-15мкм, а у протяжек из ВК8 р =2 03 0 мкм. А чем больше радиус округления, тем больше нарост и степень наростообразования с соответствующим ростом величины шероховатости протянутой поверхности [6].

Протягивание титановых сплавов ВТ9 и ВТ18У как быстрорежущими протяжками из Р18, так и твердосплавными протяжками из ВК8 обеспечивает меньшую шероховатость по сравнению с протягиванием нержавеющих сталей во всем диапазоне скоростей (Рис.4). Увеличение подачи Sz от 0,02 мм/зуб, до 0,06 мм/зуб приводит к незначительному увеличению высоты микронеровностей. Изменение переднего угла у в диапазоне от 0° до 10° практически не изменяет величину шероховатости. С увеличением заднего угла а от 1° до 7° шероховатость Rа снижается примерно в 2 раза. Кроме того, меньшие значения шероховатости Rа в данном случае обеспечиваются твердосплавными протяжками.

При протягивании жаропрочных деформируемых сплавов ЭП10 9ВД, ЭП7 4 2ИД, ЭИ4 37БУВД, ЭИ7 87ВД с увеличением скорости резания V величина микронеровностей Rа для большинства сплавов снижается, достигает минимального значения, а затем вновь возрастает (Рис.5). С увеличением подачи Sz от

0,02 мм/зуб до 0,1 мм/зуб высота микронеровностей Rа возрастает в 1,5-2 раза. При изменении переднего угла у от -10° до +20° и заднего угла а от 1° до 12° шероховатость Rа изменяется незначительно.

Таким образом, применение твердосплавных протяжек целесообразно при скоростях резания более 24 м/мин для нержавеющих жаропрочных сталей, т.к. при меньших скоростях из-за наростообразования не обеспечивается требуемая шероховатость. Для всех других групп обрабатываемых сплавов применение твердосплавных протяжек обеспечивает требуемую шероховатость во всем диапазоне исследуемых скоростей резания.

л Ra, ики

—ЭИ961Ш ВК8 —О—ЭИ961Ш Р18 —±—ВТ9 ВК8 —ВТ18У ВК8

0 5 10 15 20 25 30 35

Рис. 4. Влияние скорости резания V на изменение величины шероховатости Ra протянутой поверхности из стали ЭИ9 61 и из титановых сплавов ВТ9, ВТ18У протяжками из быстрорежущей стали Р18 и твердого

сплава ВК8.

Влияние режимов резания на усталостную прочность протянутых деталей.

Применение скоростного протягивания способствует повышению усталостной прочности замковых соединений деталей ГТД по сравнению с низкоскоростной обработкой, применяемой на производстве. При протягивании пазов в кольцах НА из стали ЭИ962 и титанового сплава ОТ-4 усталостная прочность повышается на 8-10%, а при протягивании пазов "ласточкин хвост" в дисках компрессоров из титановых сплавов ВТЗ-1 и ВТ18У увеличение усталостной прочности составляет более 60% по сравнению с серийной обработкой. При протягивании жаропрочных деформируемых и литейных сплавов повышение усталостной прочности с увеличением скорости резания происходит в меньшей степени [5].

Рис.5. Влияние скорости резания V на изменение величины шероховатости Яа протянутых поверхностей

из жаропрочных деформируемых сплавов ЭП10 9ВД, ЭП7 4 2ИД, ЭИ4 37БУВД, ЭИ7 87ВД.

Заключение

На основании выполненных исследований можно сделать заключение, что по сравнению с традиционным протягиванием на низких скоростях резания быстрорежущими протяжками, предложенный метод скоростного протягивания твердосплавными протяжками способствует получению более высоких и стабильных параметров качества поверхностного слоя, повышению усталостной прочности, надежности и ресурса деталей ГТД.

ЛИТЕРАТУРА

1. Биргер И.А. Остаточные напряжения. -М.: Машгиз, -1963, -232 с.

2. Грановский Г.И. Кинематика резания. -М.: Машгиз, 1948, -199 с.

3. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. -М.: Высшая школа, -1985, -304 с.

4. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Структурно-аналитическая теория прочности. -СПБ.: Наука, -1993, -471 с.

5. Макаров В.Ф. Интенсификация процесса протягивания трудно-обрабатываемых материалов. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Перм.гос.техн.ун-т. Пермь,

1998.

6. Маргулис Д.К. Протяжки переменного резания. -М.: Машгиз, -1962, -269 с.

7. Сулима А.М., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей

из жаропрочных и титановых сплавов. -М.: Машиностроение, -1974, -256 с.

8. Якобсон М.О. Шероховатость, наклеп и остаточные напряжения при механической обработке. -М.:

Машгиз, -1956, -292 с.