Влияние процесса глубинного шлифования елочного профиля хвостовика лопаток турбокомпрессора на качественные характеристики поверхностного слоя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Скрябин В.А., Жук А.П., Репин А.С. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА ГЛУБИННОГО ШЛИФОВАНИЯ ЕЛОЧНОГО ПРОФИЛЯ ХВОСТОВИКА ЛОПАТОК ТУРБОКОМПРЕССОРА НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

В процессе финишной абразивной обработки основными качественными показателями шлифуемой поверхности детали являются: шероховатость поверхности, внутренние остаточные напряжения 1 рода, микротвердость поверхностного слоя, глубина, степень наклепа и градиент. Эти показатели особенно важны при глубинном шлифовании сложно-профильных деталей из литейных труднообрабатываемых сплавов АНВ 300, ЖСКД, аигопе1.

По данным работы [1] эмпирическая зависимость показателя шероховатости Ка от режимных параметров процесса обработки следущая:

,0,17 -0,6 о0,6

41 t •U* • i

где С - глубина шлифования выбирается, исходя из величины припуска, мм; ид - продольная скорость перемещения детали, м/мин; ик - скорость вращения круга, м/с; Б - поперечная подача шлифования, мм/дв.ход.

Параметрами, влияющими на заданную шероховатость и производительность процесса обработки являются ид, ик и Б.

Важное значение имеют графические зависимости, которые характеризуют влияние режимных параметров, полученных экспериментальным путем, на шероховатость поверхности.

При определении зависимости шероховатости от глубинны шлифования варьируемые факторы при заданных скоростях шлифовального круга находятся в определенном диапазоне (¿1=0,05-10-3м; ¿2=0,1-10-3м;

С3=0,15-10-3м).

В зависимости от изменения глубины шлифования, расчет показателя шероховатости Ка дает следующие значения:

Rai = 2 •Ю4

Ra2 = 2 •IO4

Ra3 = 2 •IO4

(0,05 • 10-3)0,17 • (4,16 • 10-3) 0,6 • (0,0025)'

0,6

(0,1 • 10-3 )0,17 • (4,16 • 10-3) 0,6 • (0,0025)° (0,15 • 10-3)0,17 • (4,16 -10-3)-0,6 • (0,0025)0

= 0,75 мкм

= 0,84 i

=0,91i

Рисунок 1 - Зависимость шероховатости от глубины шлифования при разных скоростях круга: 1 -

ик=35м/с; 2 - ик=30м/с; 3 - ик=25м/с

Анализ графика зависимости (см. рисунок 1) показал, что интенсивное изнашивания круга наступает при С з= 0,15мм, со скоростью круга икрз=25м/с.

При определении изменения шероховатости поверхности от продольной скорости перемещения детали ид (ид1=2,5-10-3м/с; ид2=4,16-10-3м/с; идз=5,8-10-3м/с) получены следующие величины критерии

(0,05 • 1(Т3)°’17 • (2,5 • 1(Т3)~°’6 • (0,0025)°

Ra1 = 2 •Ю4

Ra2 = 2 -104

Ra3 = 2 •Ю4

(0,05 • 10-3)0,17 • (4,16 • 10-3) 0,6 • (0,0025)'

(0,05 • 10-3)0,17 • (5,8 • 10-3)-0,6 • (0,0025)'

0,91 м

= 0,671

= 0,54 мкм

Весьма важным моментом является исследование зависимости показателей шероховатости от скорости продольной подачи детали при различных глубинах шлифования.

Рисунок 2 - Зависимость шероховатости поверхности от скорости продольной подачи детали при различных глубинах шлифования: 1 - I = 0,05мм; 2 - I = 0,1мм; 3 - I = 0,15мм.

Анализ графической зависимости (см. рисунок 2) показал, что с уменьшением продольной скорости перемещения детали происходит резкое увеличение шероховатости поверхности, при этом происходит процесс интенсивного изнашивания и объемного разрушения абразивных зерен круга.

Определение изменения параметра шероховатости Ка поверхности от скорости вращения шлифовального круга ( икр = 25м/с; иКр = 30м/с; икр = 35м/с) при различных скоростях продольной подачи детали дают следующие значения:

•(2,5-10-3)

Яаі = 2-104

^2 = 2-104

Яа3 = 2-104

• (0,0025)°

(0,15 -10“3)

(0,15 • 10“3)0,1' • (4,16 • 10“3)“0,6 • (0,0025)'

(0,15 • 10“3 )0,17 • (5,8 • 10“3) 0,6 • (0,0025)'

= 1,46 і

= 0,92 і

= 0,66 мкм

25

30

35

Vк, м/с

Рисунок 3 - Зависимость шероховатости поверхности от скорости абразивного круга:

1

0,15м/мин; 2

0,25м/мин; 3

0,35м/мин

Анализ графической зависимости (см. рисунок 3) показал, что с увеличением скорости круга происходит резкое уменьшение шероховатости поверхности и уменьшается изнашивания абразивного круга.

Технологические параметры влияющие на изменение шероховатости поверхности при глубинном шлифовании елочного профиля хвостовика лопатки, показывают определенную закономерность формирования микрорельефа поверхностного слоя. С увеличением скорости круга, величины скорости продольной подачи и с уменьшением глубины шлифования при различных параметрах варьирования режимов шлифования по эмпирической зависимости (1) можно преобразовать величину шероховатости поверхности слоя елочного профиля хвостовика лопатки, в соответствии с заданными на её изготовление значениями.

Весьма важным фактором для процесса исследования глубинного шлифования является величина и распределение по глубине остаточных напряжений, поэтому при изготовлении елочного профиля хвостовика лопатки турбины следует применять процессы повышающие качество поверхностного слоя, к которому и относится процесс глубинного шлифования на станках с ЧПУ.

При формировании остаточных напряжений 1 рода выделяется три фактора, оказывающих влияние на форму эпюры остаточных напряжений:

Неравномерная пластическая деформация поверхностного слоя под действием сил резания абразивного зерна. При перемещении шлифовального круга в процессе обработки, вследствие упругого последействия металла возникает трение между зерном абразивного круга и обработанной поверхностью. Под действием сил трения, верхние слои поверхности растягиваются пластически, внутренние слои растягиваются упруго. После обработки упругие растягивающие напряжения, действующие во внутренних слоях, будут стремится к нулю, но этому противодействуют пластически растянутые верхние слои. В результате чего в верхних слоях действует напряжение сжатия.

Упруго-пластические деформации, обусловленные тепловым расширением металла в поверхностном слое при его нагреве во время шлифования.

0

и

а

и

и

а

а

При резком нагреве во время шлифования, горячие поверхностные слои стремятся удлиниться, но этому препятствуют холодные внутренние слои, что вызывает в поверхностном слое временные напряжения сжатия. При превышение этими напряжениями предела текучести металла, поверхностные слой будет пластически сжатыми, а внутренние холодные слои растянутыми. При охлаждении пластически сжатые поверхностные слои, сократятся на величину их пластического сжатия.

Сокращению глубины поверхностных слоев, препятствуют внутренние слои вследствие чего в верхних пластически деформируемых слоях возникают напряжения растяжения, а во внутренних слоях - напряжения сжатия.

Структурно-фазовые превращения металла при нагреве и охлаждении поверхностного слоя. Так как лопатки турбокомпрессоров изготавливают из жаропрочных сплавов, то структурно-фазовыми изменениями можно пренебречь.

При работе в турбокомпрессоре лопатка устанавливается в диск с помощью елочного замкового соединения и главные напряжения как статические так и динамические действуют вдоль её оси, перпендикулярно к длине хвостовика. Т.е. необходимо определять поперечные составляющие остаточных напряжений возникающих при глубинном шлифовании елочного профиля хвостовика лопаток. Форма и размеры елочного профиля хвостовика лопаток не позволяют определить поперечную составляющую остаточных напряжений механическим методом, поэтому для качественной оценки глубинного шлифования допустимо использовать определение остаточных напряжений по продольной составляющей. Механический метод основан на удалении части внутренне напряженного тела с изменением деформаций происходящих в результате такого удаления и вычислениям по этим деформациям величины и знака остаточных напряжений.

Измерение остаточных напряжений 1 рода производились механическим способом по методу академика Давыденкова Н.П. на приборе "Пион".Образцы размерами (150x8,5x14xR) определялись по профилю хвостовика лопатки из сплава АНВ 300 кругом 3^00X25X203, 25А 10П ВМ212К5 ПГ класса А 1кл. 35м/с, на

режимах ик=30м/с; ид=200мм/мин; Qcoж = 100 л/мин с СОЖ Аквол 10

Остаточное напряжение определялось по формуле:

_Б (к - а)2 df 3Ь2 da

где (3£ - изменение длины прогиба после удаления слоя; da - толщина снимаемого слоя; Е - статический модуль упругости материала, кг/мм2 а - расстояние от последуемой поверхности до рассматриваемого слоя, мм; Ь - половина расстояния между опорами при изменении прогиба образца, мм; Л - начальная толщина образца, мм

Остаточные напряжения в поверхностном слое детали в зависимости от глубины шлифования приведены на графике (см. рисунок 4)

Рисунок 4 - Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое 1 - t = 0,1-10 3 м; 2 - С =

0,5 -10-3 м; 3 - I = 2 -10-3 м

В поверхностном слое наблюдается напряжения сжатия до 380МПа переходящие на глубине 30-50мкм в растягивающие напряжения величиной 180МПа.

При двухпроходном глубинном шлифовании елочного профиля хвостовика лопатки на различных режимах резания величина и эпюра распределения остаточных напряжений определяется последним проходом.

Остаточные напряжения в поверхностном слое детали при двухпроходном глубинном шлифовании на разных режимах резания и глубине шлифования приведены на графике ( см. рисунок 5)

Рисунок 1 - Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое при разной глубине шлифования на режимах: 1 - ик=25м/с; ид =1,6-10-3 м/с; С =

2,5 -10-3 м 2 - ик=30м/с; ид =4,16-10-3 м/с; С = 0,15 -10-3 м

Вывод: На основании исследования графической зависимости распределения остаточных напряжений в поверхностном слое, в зависимости от глубины шлифования скорости круга, скорости детали, устанавливается сложный характер распределения напряжений в поверхностном слое детали, с переходом их от растягивающих в сжимающие и последующий постоянной величины напряжений, что обеспечивает стабильные качественные характеристики поверхностного слоя и заданный ресурс работы детали.

Одним из факторов влияющих на качество поверхностного слоя сложного профиля хвостовика лопатки является наклеп, т.е. упрочнение металла под действием пластической деформации в процессе глубинного шлифования. Наклеп приводит к уменьшению плотности металла, пропорционально степени пластической

деформации и к изменению его свойств повышается сопротивление деформации, понижается пластичность, повышается твердость, что приводит в итоге к снижению работоспособности детали в изделии. Поэтому одними из показателей качественной обработки поверхностного слоя детали является глубина и степень наклепа, зависящие от свойств обрабатываемого материала и условий обработки.

Основным методом определения характеристик наклепа на дне паза елочного профиля хвостовика лопатки и образцов является метод измерения микротвердости на наклонных шлифах. Микротвердость замерялась на приборе ПМТ.3 с нагрузкой 100 грамм.

Глубина наклепа определяется весовым методом, по толщине удаляемого слоя.

h

Po - Pn

H

5-Р

где Ро - исходный мой поверхности, см2 Р

Степень наклепа определяется по формуле:

Т1

ии = -т-100%

— и1

т

где -т - микротвердость обработанной поверхности —1т Градиент наклепа определяется по формуле:

ес образца, г Рп - вес образца после удаления травлением, г Б - площадь исследуе-2 Л- плотность материала образца, г/см3

микротвердость сердцевины.

Uh =-

;(max)

-H,

;(исх)

(max)

где Hm(max) 1

- максимальная и исходная микротвердость поверхностного слоя детали.

Результаты исследования наклепа при двухпроходном глубинным шлифованием черновой и чистовой проход представлены в таблице 1

Таблица 1- черновой и чистовой проход___________________

№ прох. наклеп

Степень в % Глубина мкм

1 25 32

2 20 18

Вывод: Расчетные параметры наклепа в зависимости от технологии режимов харктерно умеренное

упрочнение обработанной поверхности, что дает возможность получать заданные физико-механические характеристики поверхностного слоя.

ЛИТЕРАТУРА

1. М.С. Рахмарова, Я.Г. Мирер. Влияние технологических факторов на надежность лопаток газовых турбин. М.Машиностроение. 1966.-223с.

2. Глубинное шлифование деталей из труднообрабатываемых материалов С.С. Силин, В.А. Хрульков, А.В. Лобанов, Н.С. Рыкуков. М.Машиностроение.1984.- 64с.( Библиотека "Новости технологии" ).

3. Алмазные правящие ролики при врезном шлифовании деталей машин. Коломеец В.В., Полутан Б.И. -Киев : Наук. думка,1983.-14 4с.

4. Оптимизация технологии глубинного шлифования. С.С. Силин, Б.Н. Леонов, В.А. Хрульков и др.; Редкол.: П.Н. Орлов (пред.) - М.:Машиностроение, 1989.-120с.