Оптимизация высокоскоростного фрезерования пера лопатки для компрессора газотурбинного двигателя (ГТД)

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.57.127 Козинер Ю.Д.1, Арефьев А.В.2, Арефьев В.В.3

1 Кандидат технических наук, доцент, 2,3Студент, Московский Авиационный Институт

ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ ПЕРА ЛОПАТКИ ДЛЯ КОМПРЕССОРА

ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Аннотация

В статье представлены результаты исследования нового метода фрезерования пера лопатки компрессора газотурбинного двигателя. Проведена комплексная оптимизация CAD /CAM технологии для проектирования и изготовления детали. Предложен новый метод фрезерования пера лопатки -спиральная обработка специальным режущим инструментом. Разработаны оптимальные режимы обработки с учетом деформации заготовки под действием сил резания. Проведены исследования подтверждающие эффективность предложенного метода. Внедрение разработанного метода в техпроцесс изготовления лопаток компрессора позволило существенно повысить его технические и экономические показатели. Предложенная технология обработки пера лопатки прошла апробацию на предприятии и получила положительную оценку.

Ключевые слова: фрезерование, перо, лопатка, компрессор, технология, оптимизация, инструмент.

Koziner Y.D.1, Arefiev A.V.2, Arefiev V.V.3 1PhD in Engineering, associate professor, 2,3Student, Moscow Aviation Institute

OPTIMIZATION OF HIGH-SPEED MILLING OF BLADE AIRFOIL FOR THE COMPRESSOR OF THE GAS

TURBINE ENGINE

Abstract

The paper presents the results of a study of a new method for milling of blade airfoil of compressor of a gas turbine engine. The complex optimization of CAD / CAM technology for design and manufacturing of the component has been carried out in the work. A new method for milling of blade airfoil is proposed - a helical processing with a special cutting tool. The optimal processing modes which take into account deformation of the workpiece under the action of cutting forces are developed as well. The research conducted confirms the effectiveness of the proposed method. The introduction of the developed method into the manufacturing process of the compressor blades makes it possible to increase significantly its technical and economic performance. The proposed technology for processing of blade airfoil was approved at the enterprise and received a positive assesment.

Keywords: milling, feather, blade, compressor, technology, optimization, tool.

Целью данной работы является оптимизация высокоскоростного процесса фрезерования пера лопатки для компрессора ГТД (газотурбинного двигателя) из титанового сплава на станке с ЧПУ.

Известно, что обработка титановых сплавов сопряжена с определенными трудностями: это низкая стойкость режущего инструмента, высокая температура в контактной зоне, значительные усилия резания. Современные технологии изготовления лопаток компрессора ГТД основаны на двух методах формообразования пера. Первое это холодная (горячая) штамповка с дальнейшим вальцеванием пера, второе это фрезерование. Замковая часть лопатки в обоих случаях обрабатывается протягиванием или фрезерованием. Заготовкой для фрезерования служит достаточно массивный полуфабрикат с протянутым замком, который используется в качестве технологической базы для ориентации пера в приспособлении.

Однако используемый метод фрезерования пера лопатки из массивной заготовки имеет ряд существенных недостатков.

1. Низкий коэффициент использования материала

2. Выполнение черновых операций фрезерования при обработке пера лопатки.

3. Необходимость полирования входной и выходной кромок, а так же радиуса перехода от пера к замку.

4. Использование дорогостоящего 5-ти координатного станка с ЧПУ.

Для совершенствования технологического процесса была предложена новая технология изготовления пера лопатки. В качестве заготовки предлагается использовать штампованную заготовку с протянутым замком и припуском на пере не более 0,3мм на сторону под механическую обработку [2, C. 57-63]. Однако уменьшение припуска на фрезерование значительно уменьшает жесткость заготовки [2, C. 18], что отрицательно сказывается на точности обработки, качестве поверхности и стойкости инструмента. Для повышения жесткости заготовки было предложено использовать сплав ВУДа. Этот сплав, как известно, обладает низкой температурой плавления (75-80 С) а в отвержденном состоянии имеет структуру схожую по свойствам с алюминием, вследствие чего имеет достаточную жесткость и хорошо обрабатывается резанием.

Сущность новой технологии заключается в том, что после протягивания замка заготовка погружается в форму с расплавленным сплавом, таким образом, чтобы перо и полка полностью оказались погружены в сплав. Затем заготовка вынимается на воздух вместе с формой. Затвердевание происходит практически мгновенно после чего, заготовку устанавливают на 3Х координатный станок с ЧПУ и фрезеруют перо лопатки.

Жесткость заготовки при данном методе обработки практически не меняется, а стойкость инструмента повышается. Съем припуска осуществляется в основном за счет удаления легкообрабатываемого сплава ВУДа. Обработку можно производить на более интенсивных режимах резания. Стоит отметить, что экономически эта технология также обоснована. Сплав ВУДа, на розничном рынке стоит порядка 1200р/кг, что значительно дешевле титанового сплава, из которого изготавливается лопатка. Стружку сплава ВУДа можно использовать повторно, достаточно переплавить ее в кипящей воде. Если на замке остаются капли сплава они легко смываются в кипятке.

Реализация предложенной технологии производилась в следующем порядке.

Оптимизация CAD/CAM технологии

Для оптимизации CAD /CAM технологии были решены следующие задачи:

1.Произведен подбор CAD /CAM систем (программы NX4, КОМПАС 3D.V9 и Metromec).

2.Проведены исследования по выбору оптимальной траектории обработки пера лопатки с учетом требований по точности, качеству поверхностного слоя и производительности. Были исследованы две траектории обработки пера лопатки:

а) Спиральная обработка пера.

в) Пошаговая обработка пера по окружности.

Анализ результатов исследований показал, что при обработке по спиральной траектории снижается время на подвод инструмента, а так же уменьшается биения пера за счет увеличения осевой и уменьшения радиальной нагрузки.

3. Была разработана математическая модель детали и заготовки [3, C. 4-6], управляющая программа обработки, траектория движения инструмента [4, C. 18] в программе NX4. Программа NX4 является модульной, что позволяет проектирование 3D моделей и траектории обработки вести в одном файле. Применение КОМПАС 3D.V9 позволяет использовать стандарты ЕСКД. После конвертации 3D модели из NX4 в КОМПАС 3D.V9 были получены чертежи для построения системы координат станка, и сопоставления ее системе координат в которой строилась 3 D модель.

4. Проанализирована возможность редактирования программы непосредственно в стойке станка, после выявления неточностей и отклонений от математической модели размеров выходной детали (в частности разворот пера, относительно оси Z и неравномерность отклонений по профилю пера на выходной кромке). В связи, с чем непосредственно в станке с помощью G кодов была развернута система координат на нужный угол.

5.Разработана программа для измерения выходной детали и сравнения её с эталоном в программе metromec для CMM WenzelLH54. Отличительной особенностью этих измерений является то, что они ведутся в пространстве, а значит, мы имеем пространственное представление об отклонениях точек в ту или иную сторону, исходя из этого, легко делать выводы о наклоне пера, его развороте или элементарном выпадении точек.

Выбор оптимальной конструкции режущего инструмента

Использование 3-х координатного станка и спиральной траектории обработки, а так же требования к качеству поверхности пера определило выбор конструкции режущего инструмента:

1. Т-образный режущий инструмент (концевая фреза), позволяющий фрезеровать труднодоступные зоны пера.

2. Режущие кромки зубьев фрезы должны быть заточены таким образом, чтобы профиль зуба был равен радиусу перехода пера в замок лопатки. При такой заточке зубьев фрезы исключается операция, полирования кромок пера лопатки и переходного радиуса.

3. Инструмент должен изготавливаться на инструментальных предприятиях и иметь съемные режущие пластины.

Этим требованиям в полной мере соответствует Т-образная фреза CoroMill 327 c твердосплавным хвостовиком Weldon фирмы Sandvikcoromant (рис. 1) Диаметр пластины и хвостовика должны быть подобраны таким образом, что бы можно было фрезеровать лопатки компрессора без применения 5 -ти координатной обработки. Пластины выполнены из твердого сплава GC1025 с покрытием PVD оптимального для обработки титановых сплавов [ 1, C. 63] . Фреза имеет шесть режущих элементов, что обеспечивает высокопроизводительную обработку. В хвостовике фрезы имеются каналы для внутреннего подвода СОЖ. Эскиз фрезы представлен на рис. 1.

SandVik SC 1025 \Sandvik

Рис. 1 - Конструкция режущего инструмента

Расчет оптимальных режимов резания

Для данного вида обработки с учетом рекомендаций производителя режущего инструмента были разработаны оптимальные режимы резания. Расчеты производились в программе CIMCOSpeedadFeed. По результатам проведенных экспериментов были получены зависимости количества обработанных лопаток п величины подачи Sz (рис. 2) и времени обработки от той же величины (рис. 3) .

140 120 100 80 60 40 20 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Sz

новая технология старая технология

Рис. 2 - Зависимость количества лопаток обработанных одной пластиной от величины подачи на зуб

г

м

5

*

I-(0 С

о е;

5

*

го о. б

0 к

м

01

.

to

Рис. 3 - Зависимость времени обработки одной лопатки от величины подачи на зуб

На расчитанных режимах фрезерования была обработана партия лопаток и по результатам обработки были внесены коррективы в режимы резания (с учетом прогиба заготовки под действием сил резания). Скоректированные режимы обработки преведены ниже:

S=2200 об/мин.

F=980 мм/мин

Sz=0.3 мм/зуб

H=0.2 мм

S- число оборотов шпинделя

F- минутная подача

Sz- подача на зуб

H- шаг спирали в глубину

Выводы

В результате применения технологии с использованием сплава ВУДа экономия материала составила порядка 70%. Жизненный цикл инструмента продлен до 230% в сравнении со старой технологией, за счет меньшего съема труднообрабатываемого титанового сплава. Полное время обработки от заготовки до готовой детали сократилось на 40%. Сокращение произошло в основном за счет исключения черновых операций фрезерования и обработки на более интенсивных режимах резания. В результате повышения жесткости заготовки и применения Т-образного инструмента появилась возможность использования более дешевого станочного оборудования и была исключена операция ручного полирования радиуса перехода от пера к полке замка.

Исследования были проведены на заводе ММП «им В. В. Чернышева» на трехкоординатном станке с ЧПУ «VDF-850» Предложенная технология была рекомендована для реализации в техпроцессе изготовления лопаток компрессора ГТД

Список литературы / References

1. Кривоухов В. А. Обработка резанием титановых сплавов / В. А. Кривоухов, А. Д. Чубаров. М.: Машиностроение, 1970. 180 с.

2. Хижный, Д. Э. Механическая обработка малоприпусковых заготовок лопаток компрессора. / Д. Э. Хижный, И. В. Семенченко // Приложение к журналу: Авиационная промышленность, 1986. — № 5. С. 7-9.

3. Данилов Ю.В. Практическое использование NX. / Ю. В. Данилов, И. А. Артамонов. ДМК Пресс ISBN: 978-594074-717-8, 2011. 332с.

4. Ведмидь П. А. Основы NX CAM./ П. А. Ведмидь: ДМК Пресс, 2012. 216 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Krivoukhov V.A. Obrabotka rezaniem titanovykh splavov [Machining of titanium alloys] / V.A, Krivoukhov, A.D. Chubarov. - M .: Mashinostroeniye, 1970. - 180 p. [In Russian]

2. Khizhnyi, D. E. Mekhanicheskaya obrabotka malopripuskovykh zagotovok lopatok kompressora [Machining of workpieces of Lowallowance Compressor Blades.] / D. E. Khizhnyi, I.V. Semenchenko // Prilozheniye k zhurnalu: Aviatsionnaya promyshlennost [Annex to the magazine: Aviation industry.] - 1986. - № 5. - P. 7-9. [In Russian]

3. Danilov Yu.V. Prakticheskoye ispolzovaniye NX [Practical Use of NX.] / Yu.V. Danilov, I.A. Artamonov. - DMK Press, 2011. - 332p. [In Russian]

4. Vedmid P.A. Osnovy NX CAM [Basics of NX CAM] / P.A. Vedmid. - DMK Press, 2012. - 216 p. [In Russian]

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.57.070 Логунова М.В.1, Буссаха Фетхи2, Хадидан Мохамед сейф-еддин3, Бумайза мерьем4

1 Доктор педагогических наук, профессор, Нижегородский государственный строительный университет, 2,3аспирант, Нижегородский государственный педагогический университет имени Козьмы Минина -

Мининский университет, 4магистр, Баджи Мохтара университет СЕМАНТИКА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ФИГУР В СОВРЕМЕННЫХ ФАСАДНЫХ РЕШЕНИЯХ

Аннотация

В статье рассматривается проблема визуальной информативности современной архитектуры. Архитектура и эмоциональный мир человека взаимосвязаны. Потеря архитектурой присущей ей изначально информативности негативно отражается на качестве урбанизированной среды современных городов. Семантика архитектурных образов, построенных на основе геометрических фигур, имеет свое временное развитие. Геометрическая фигура как архетип сохраняет свою ключевую роль в создании образа архитектурного объекта. Однако традиционное прочтение формы в современной проектной практике получает новое осмысление.

Ключевые слова:геометрическая фигура, архетип, семантика, фасад, визуальная информация.

Lagonova M.V.1, Boussaha Fethi2, Hadidan Mohamed Seif-eddine3, Boumaiza Meriem4

1PhD in Pedagogy, Professor of Nizhny Novgorod State University of Civil Engineering, 2,3postgraduate students of Nizhny Novgorod state Pedagogy university,

4undergraduate student, Badji Mokhtar state university SEMANTICS OF GEOMETRICAL FIGURES IN THE MODERN FACADE DECISIONS

Abstract

The article deals with a problem of the visual informative value of the modern architecture. Architecture and human sensibly are tied together. The loss of informative that is inherent with architecture would be detrimental to the urbanized environmental quality of the modern cities. Semantics of the architectural characters based on geometrical figures have the continuing development. A geometrical figure as the archetype is a key player in creating the character of architectural object. However, the traditional interpretation of the form makes new sense in the modern architecture and construction design.

Keywords: geometrical figure, archetype, semantics, façade, visual information.

Современная архитектура в своем развитии стремится следовать последним техническим достижениям и сохранять преемственность. Поэтому в настоящее время все большее распространение получает тенденция слияния различных дисциплин. Архитектура, как область социально ориентированной деятельности, развивается в направлении привлечения к процессу проектирования социологии, психологии, экономики, технических наук. Поэтому появилось значительное количество междисциплинарных исследований, затрагивающих вопросы современной архитектуры с разных позиций. Большое внимание уделяется феноменологии архитектуры, феномену зрительного восприятия, колористике, основам композиции. Слабо затронутыми остаются вопросы первичной геометрии в деталях фасада. Архитектурная форма рассматривается как система, что вполне оправдано. Но роль отдельных элементов этой системы с позиций информативности изучена недостаточно. Тем более что коммуникативные требования к архитектурной среде с каждым годом возрастают.

В конце ХХ в. значительное внимание стало уделяться изучению архитектурного языка. Исследователи связывают это явление с процессами стилеобразования. Уже во второй половине XIX в. наблюдается одновременное существование разных стилистических направлений. Именно это разнообразие и привело к расширению смысловых трактовок отдельных элементов в образе архитектурного объекта.

Современная архитектура характеризуется активным применением инновационных технологий, как на стадии проектирования, так и в процессе реализации проекта. Это привело к возникновению новых «неканонических» [3, C. 4] метафор в архитектурном языке.

Архитектура как часть современной коммуникативной среды имеет свою семантику [2].Семантика является одной из составляющих архитектурной семиотики и отвечает за смысловую сторону архитектуры. Семантика изучает правила интерпретации знаков, т.е. затрагивает образно-знаковый и символический аспекты архитектуры[9, C. 81-82].

Геометрия является основой архитектуры и активно участвует в формировании ее языка. Простые геометрические фигуры (архетипы) изначально несли смысловую нагрузку [6]. Древний человек с помощью знаков выражал свое представление об окружающем мире. Изображения таких знаков мы можем найти на различных бытовых предметах,