Интенсификация лезвийной и абразивной обработки труднообрабатываемых материалов на основе физической оптимизации процессов резания

В.Ф. Макаров, В.В. Семиколенных, Н.Е. Чигодаев, Г.В. Веснин

ОАО «Пермский моторный завод», Пермь, Россия

Технология машиностроения, большой вклад в развитие которой внес проф.  Маталин А.А. [1, 2], в новых экономических условиях по-прежнему является движущей силой научно-технического прогресса в машиностроении. Задачи, стоящие перед отечественным машиностроением, по разработке и созданию новых современных машин, конкурентоспособных на мировом рынке, сегодня невозможно решить без разработки и внедрения новых современных технологий механообработки. В начале XXI века обработка металлов резанием остается основным способом изготовления деталей машин и механизмов в силу таких своих существенных преимуществ перед другими видами обработки, как универсальность, малая энергоемкость, простота эксплуатации, технологическая маневренность, высокая производительность, возможность обработки деталей любой формы и размеров с высокой точностью и качеством, обеспечивающим стабильные эксплуатационные параметры машин.

За прошедшее столетие в области науки о резании металлов выполнено огромное  количество научных исследований, установлены основные закономерности процесса резания, разработаны высокоэффективные инструментальные материалы, создано необходимое оборудование. Дальнейшее развитие науки о резании связано с созданием новых высокоэффективных конкурентоспособных на внутреннем и внешнем рынках машин и механизмов, имеющих более высокие эксплуатационные параметры.

Это особенно наглядно проявилось, например, при разработке и начале  производства на ОАО «Пермский моторный завод» такой чрезвычайно сложной и ответственной машины, как газотурбинный двигатель ПС 90А для авиации и наземных газоперекачивающих установок, не уступающей по своим техническим параметрам зарубежным аналогам.

Более высокие эксплуатационные показатели нового газотурбинного двигателя по  сравнению с ранее выпускаемыми изделиями достигнуты за счет применения новых жаропрочных материалов, еще более труднообрабатываемых резанием, а также за счет значительного усложнения конструкции деталей. При организации производства этого двигателя трудоемкость обработки деталей существенно увеличилась. Для решения задач по снижению трудоемкости и одновременного обеспечения высокого качества обработки в лабораториях резания и шлифования ОАО «ПМЗ» проводятся работы по исследованию, разработке и внедрению таких новых высокопроизводительных технологических процессов, как скоростное протягивание, скоростное фрезерование, скоростное развертывание, скоростное глубинное шлифование, различные виды точения на повышенных скоростях резания с применением новых видов сборного режущего инструмента.

Совершенствование методов лезвийной обработки деталей ГТД на ОАО «ПМЗ»  традиционно проводится по методике проф. Макарова А.Д. [3] на базе физической оптимизации режимов резания по минимуму относительно установившегося износа при соответствующей оптимальной температуре контакта (резания). Эта экспериментальная методика, используемая на предприятии более 30 лет, позволяет быстро надежно и достоверно определять оптимальные режимы практически для любого вида лезвийной обработки новых труднообрабатываемых материалов с применением новых видов режущих инструмента. При этом обеспечиваются наилучшие параметры качества обработанной поверхности, более высокая усталостная прочность и надежность работы деталей в эксплуатации [4].

Это особенно наглядно проявилось при разработке и исследовании нового  процесса – скоростного протягивания твердосплавными протяжками. Проведено широкое комплексное исследование обрабатываемости протягиванием в диапазоне скоростей от 1, 0…60, 0 м/мин различных марок труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Предварительно проведено исследование влияния температуры нагрева на  основные механические свойства исследуемых обрабатываемых сталей и Амслера с записью кривой деформации в диапазоне температур 293…1273 ºК.

По результатам испытаний построены графики (рис. 1) и установлено, что общей  закономерностью для всех испытанных сталей и сплавов является снижение длительной прочности σв с увеличением температуры испытаний Т. В то же время с повышением температуры Т для каждого обрабатываемого материала при определенной характерной температуре Тпп имеет место экстремальное минимальное значение показателей пластичности (относительное удлинение δ и относительное сужение ψ), известное в металлургии под названием «провал пластичности материала».

Рисунок 1 – Влияние температуры механических испытаний Т на прочностные σв и пластические (δ, ψ) свойства свойства жаропрочной стали ЭИ 961Ш(а), титанового сплава ВТ3-1(б) и жаропрочного деформируемого сплава ЭИ787ВД (в)

Рисунок 2 – Влияние скорости резания V и подачи Sz на изменение температуры резания Т и интенсивности износа hозл протяжек из Р18 и ВК8 при протягивании жаропрочных стали ЭИ961Ш (а), титанового сплава ВТ3-1 (Sz = 0, 02мм/зуб) (б) и жаропрочного деформируемого сплава ЭИ787ВД (в)

Одновременно проведено исследование изменения интенсивности износа зубьев  протяжек hозо и температуры резания Т при протягивании жаропрочных сталей и сплавов в диапазоне скоростей резания от 1, 5 до 60 м/мин и подач от 0, 01 до 0, 15 мм/зуб. Результаты исследования приведены на рис. 2.

При анализе графиков на рис. 1 и 2 установлено, что при протягивании кривые  hозл = f(V) для всех обрабатываемых сталей и сплавов носят экстремальный характер. На графиках зависимостей hозл = f(V) можно достаточно точно установить величину оптимальной скорости резания Vо и оптимальной температуры То, при которых наблюдается минимум интенсивности износа инструмента hозо. В то же время установлен факт совпадения оптимальной температуры резания То и температуры провала пластичности Тnn для каждой пары обрабатываемого и инструментального материалов. Протягивание нержавеющих сталей типа ЭИ961Ш и титановых сплавов типа ВТ3-1 на повышенных скоростях резания возможно с применением как быстрорежущих, так и твердосплавных протяжек. Однако, применение твердого сплава более эффективно. При протягивании жаропрочных деформируемых сплавов типа ЭИ787ВД целесообразно применение только твердосплавных протяжек. Таким образом, экстремальный характер зависимости hозл = f(V) при протягивании c физической точки зрения объясняется соответствующим изменением пластических свойств обрабатываемых материалов при повышении температуры резания.

В результате статистической обработки экспериментальных данных получены  математические модели расчета оптимальных параметров процесса протягивания Vo, To, hозо для различных групп обрабатываемых материалов (см. табл.1), учитывающие прочностные свойства и химический состав материалов быстрорежущими (Р18) и твердосплавными (ВК8) протяжками.

Экономические расчеты показали высокую эффективность методов скоростного  протягивания различных деталей ГТД твердосплавными протяжками.

Аналогичные работы проводятся по значительному увеличению скоростей резания  при точении, фрезеровании и развертывании труднообрабатываемых материалов с применением новых современных видов твердосплавного инструмента.

Абразивная обработка деталей ГТД занимает до 50% общей трудоемкости особенно  при чистовой окончательной обработке. Установлено, что увеличение скорости резания при глубинном шлифовании является существенным резервом повышения производительности обработки. Особенно это важно при обработке наиболее труднообрабатываемых материалов – жаропрочных сплавов на никелевой основе. В связи с этим проведены сравнительные исследования процесса скоростного глубинного шлифования лопаток турбины на станках с ЧПУ мод. ЛШ 220, модернизированных для обеспечения скоростей резания до 70 м/с c применением специальных скоростных кругов и непрерывной их правкой. В результате анализа влияния скорости резания на величину удельного съема металла при условии постоянства коэффициента шлифования установлено, что с увеличением скорости резания до 70 м/с величина удельного съема металла возрастает в 3…5 раз по сравнению с традиционным глубинным шлифованием до 45…55 мм³/мм*с. Применение более твердых кругов (G) позволяет увеличить величину удельного съема металла на 20…30% по сравнению с мягкими кругами (F). Обеспечение постоянства коэффициента шлифования достигается путем подбора режима непрерывной правки кругов алмазным роликом.

В таблице 1 обозначены: С – содержание углерода, %; Sz – подача на зуб,   мм/зуб; σв – предел прочности при нормальной температуре, МПА; σво – предел прочности при оптимальной температуре То, МПА; γ' – содержание упрочняющей интерметаллидной фазы, %; Аl – содержание алюминия, %.

Таблица 1 – Расчетные зависимости оптимальных параметров резания 

Таким образом, разработка и внедрение новых прогрессивных методов лезвийной  и абразивной обработки позволили существенно сократить трудоемкость изготовления нового двигателя при обеспечении требуемого высокого качества и надежности работы его в эксплуатации. Впервые в стране достигнут ресурс авиационного двигателя ПС90А более 7000 часов.

Список литературы

Маталин А.А. Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин. – М.: Машиностроение, 1956. – 252 с.

Маталин А.А. Технология машиностроения. – Л., 1985. – 496 с.

Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. – М.: Машиностроение, 1976. – 278 с.

Макаров В. Ф., Иванов В.А. Оптимизация процессов чистовой лезвийной и абразивной обработки сложно-профильных тяжелонагруженных деталей ГТД из жаропрочных сталей и сплавов // Автоматизированные технологические и механотронные системы в машиностроении: Сборник научных трудов. – Уфа: УГАТУ. – 1997. – С. 134-135.

Макаров В.Ф. Интенсификация процесса протягивания труднообрабатываемых материалов. – М.: СТАНКИН, 1998. – 450 с.