To the Issue of Dimensional Accuracy in Manufacturing of Compressor Discs
To the Issue of Dimensional Accuracy in Manufacturing of Compressor Discs
Abstract
The article describes the mechanism of error formation in turning of non-rigid discs of axial compressors. The basic calculation dependences of cutting force on variable processing conditions are given. The results of experimental studies are shown, and empirical dependences are presented, which allow to calculate the value of the axial component of the cutting force when turning a disc blade made of titanium alloy VT3-1.
The work presents recommendations on the use of computational dependencies for adjusting control programmes for numerically controlled machine tools (NCT). In addition, the paper examines the possibility of using a system of adaptive control of the cutting process on a numerically controlled machine tool.
1. Введение
Заготовки для изготовления дисков осевых компрессора из титановых сплавов могут быть получены методами пластического деформирования материалов, а также методами порошковой металлургии.
Промышленные сплавы титана классифицируют по структуре, которую они получают после охлаждения на воздухе. Из титановых сплавов, используемых для изготовления дисков компрессора, ОТ4 относится к сравнительно малопластичным, которые не охрупчиваются при термической обработке, а ВТ6 и ВТ3-1 – к более прочным сплавам, хорошо куются и штампуются, поддаются термической обработке , .
Наряду с достоинствами титановые сплавы имеют и недостатки, такие как повышенная склонность к упрочнению в процессе деформирования, пониженная упругость (почти в два раза ниже, чем у стали). Это проявляется при лезвийной обработке заготовок во влиянии на точность в результате упругих деформаций от действия сил резания. Кроме того, титан и его сплавы имеют высокую склонность к контактному схватыванию при трении. Это свойство создает трудности при обработке титана резанием .
В связи с перечисленными свойствами титановых сплавов в процессе механической обработки дисков резанием возникают следующие проблемы:
потеря геометрической точности полотна диска;
остаточное коробление полотна диска после обработки.
В процессе обработки дисков энергетических машин возникают деформации торцевых поверхностей. Самое значительное влияние на процесс деформации оказывает осевая составляющая силы резания Ру. Данная сила приложена к торцевой поверхности в осевом направлении. Ее воздействие можно оценивать, как качественно, так и количественно, используя подходы и методы теории упругости , , . Оценивая силу резания нужно учитывать, что ее величина является переменной, зависящей от режимов резания (скорости резания v, глубины резания t, подачи s) и величины износа резца hз по задней поверхности , .
Целью исследования является установление закономерностей влияния технологических условий механической обработки на формирование прогибов полотна нежесткого диска осевого компрессора.
2. Методы и принципы исследования
Назначение режимов обработки основывается на параметрах шероховатости поверхности и заданной точности. При величине шероховатости обрабатываемой поверхности Ra=3,2 мкм, глубина резания должна варьироваться в пределах t=0,1-0,4 мм, а величина подачи инструмента в диапазоне s=0,07-0,35 мм/об. Основываясь на выбранных значениях глубины резания и подачи рассчитывается величина скорости резания.
Наиболее часто расчет величины силы резания производится по эмпирическим формулам, в которых присутствует коэффициент, зависящий от стойкости инструмента, однако, существуют и формулы, в которых расчеты производятся на основании величины износа инструмента по задней поверхности и известных пределов прочности обрабатываемого материала . Для практического расчета требуется проводить экспериментальные исследования обрабатываемого материала для определения пределов прочности.
Следовательно, наиболее целесообразным является использование для расчетов силы резания эмпирических формул.
Стойкость зависит от материала инструмента, материала обрабатываемой детали, от геометрических параметров режущей части, особенно от величины переднего угла и заднего угла, режимов обработки . Влияние скорости резания является определяющим при определении стойкости режущего инструмента, а, следовательно, силы резания.
Таким образом, исходя из данной теории, величина силы резания является постоянной для заданных режимов резания, что является неточным вследствие изменения величины силы резания под влиянием переменных факторов: износа инструмента, скорости резания (для торцевого точения) и фактической глубины резания.
3. Основные результаты
После проведенных экспериментальных исследований была получена эмпирическая формула для определения величины осевой составляющей силы резания при торцевой обработке полотна диска из титанового сплава ВТ3-1:
Здесь t – глубина резания, мм; s – подача, мм/об; v – скорость резания, об/мин; k = (hз)m – коэффициент, зависящий от износа инструмента hз; m = -0,26(hз/s) – показатель степени.
Кроме того, что величина составляющей силы резания будет изменяться в зависимости от величины износа инструмента, как видно из выражения (1), на ее изменение будут влиять переменная скорость резания и глубина резания.
Для случая цилиндрического точения величина диаметра обработки является постоянной, следовательно, величина скорости v=const. В случае торцевого точения путь резания представляет собой спираль Архимеда, а, следовательно, скорость резания не является постоянной величиной вследствие постоянного изменения диаметра обработки D. Следовательно, рассчитывать скорость резания при торцевом точении необходимо с использованием выражения (2):
Здесь ri = ri-1 - s – текущий радиус полотна обрабатываемого диска; i – изменяется в пределах от 1 до rн/s; rн – наружный радиус полотна обрабатываемого диска.
В процессе расчета силы резания глубину резания принимают постоянной и не учитывают влияния на нее величины износа инструмента и упругих деформаций поверхности детали и инструмента. При обработке торцевой поверхности диска осевого компрессора происходит его упругая деформация.
Реальная величина глубины резания при обработке торцевой поверхности будет переменной, т.к. происходит его упругая деформация на величину w от воздействия сил и напряжений, а также происходит нормальное изнашивание режущего инструмента на величину hн. Величина фактической глубины резания находится из выражения (3):
Величина изменения фактической глубины резания относительно расчетной tрасч является непосредственно погрешностью обработки Dоб, которая определяется из выражений (4, 5):
или
Определив, из выражения (1), величину силы резания, необходимо оценить ее воздействие на деформацию обрабатываемой детали, а, следовательно, на величину погрешности.
Допуски на изготовление торцевой поверхности дисков осевых компрессоров составляют 0,01-0,05 мм, значит расчет можно производить при помощи уравнения метода начальных параметров , которое будет выглядеть следующим образом:
Здесь w – величина искомого прогиба; w0 – прогиб на внутреннем радиусе диска, определяется из граничных условий ; Мr0, Mq0 – моменты, действующие на внутреннем радиусе в радиальном и тангенциальном направлениях, соответственно, определяются из граничных условий; r – текущий радиус, на котором рассчитывается прогиб; mi – момент, действующий на i – м радиусе, возникающий в результате действия различных факторов; Рi – осевая сила, приложенная на i – м радиусе; qk – распределенная нагрузка между некоторыми радиусами; ywr, ywq, ywP, – сопровождающие функции; D = Eh3/[12(1 – m2)] – жесткость; Е – модуль упругости; h – толщина полотна диска;m – коэффициент Пуассона.
Сопровождающие функции для уравнения (7) находятся при решении уравнений описанных в работе . Для нахождения w0, Мr0, Мq0 необходимо задаться граничными условиями, определяемыми выбором расчетной схемы. В зависимости от профиля сечения диска возможно рассматривать несколько таких схем .
4. Заключение
В процессе токарной обработки нежестких дисков можно использовать системы адаптивного управления, которые позволяют отслеживать изменяющиеся во времени величины силы резания
. Однако при обработке на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) необходимо заранее внести соответствующие коррективы в программу обработки.Представленная методика прогнозирования возникновения прогибов полотна диска позволит обеспечить точность изготовления деталей и снизит возможные потери (брак) еще на этапе технологической подготовки производства. Ранее использовавшиеся методики не учитывали действие переменных сил резания. В литературе описана сила резания ка постоянная, не зависящая от изменения диаметра обработки и динамического изменения глубины резания.
Расчеты, проведенные согласно представленной методике, можно использовать при проектировании деталей осевых компрессоров и разработке технологических процессов их изготовления, а также, для написания программ для станков с числовым программным управлением учитывающих динамическое изменение силы резания и геометрии движения режущего инструмента.