Глубинное шлифование хвостовиков и бандажных полок рабочих лопаток турбины

Общая постановка проблемы и ее связь с научно-практическими задачами. Обеспечение высоких показателей надежности и ресурса ГТД является актуальной задачей современного авиадвигателе строения. Поскольку они в основном определяют надежность и безопасность полетов летательных аппаратов. В то же время ресурс и надежность ГТД определяется в большей степени надежностью и ресурсом рабочих лопаток турбины, которые в процессе эксплуатации испытывают значительные термодинамические нагрузки. Поэтому обеспечение высокого качества их изготовления также является важной и актуальной задачей.

Одним из методов обработки, который применяется при обработке хвостовиков и бандажных полок рабочих лопаток турбины и обеспечивает высокие требования к их качеству, является глубинное шлифование или шлифование с ползучей подачей [1,2].

Глубинное шлифование в последнее время получило широкое распространение [3,4]. Однако в литературных источниках отсутствует информация о систематизации и классификации схем обработки глубинного шлифования при обработке различных поверхностей рабочих лопаток турбины, что несколько сдерживает дальнейшее его широкое распространение.

Качество изготовления рабочих лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов определяется качеством обработки их хвостовиков и бандажных полок глубинным шлифованием, которое при этом необходимо выполнять при рациональных технологических условиях и режимах обработки, определяемых, как правило, экспериментально.

Классификация схем обработки хвостовиков и бандажных полок лопаток турбины методом глубинного шлифования

Классификация схем обработки хвостовиков и бандажных полок лопаток турбины методом глубинного шлифования

Целью исследований являлась систематизация, анализ и классификация технологических операций, выполняемых глубинным шлифованием при изготовлении рабочих лопаток турбины, а также экспериментальное определение параметров качества при формообразовании их хвостиков данным методом.

Систематизация и анализ технологических операций, выполняемых глубинным шлифованием, показали, что наибольшее распространение оно получило как при обработке отдельных плоских поверхностей, так и пересекающихся под различными углами, а также сложнопрофильных поверхностей (табл. 1).

Наиболее эффективно применение глубинного шлифования для формообразования сложнопрофильных поверхностей хвостовиков и бандажных полок.

Рис. 1. Эпюры распределения остаточных напряжений в поверхностном слое «ёлочного» профиля хвостовика после глубинного шлифования: а — материал ЖС6К. инструмент — 25А1ОПЗИ2912К5К04О. станок — модель SS013L;  б — схема вырезки образцов для исследования остаточных напряжений в поверхностном слое;  в — образец для определения остаточных напряжений; г — материал ЖС6У — ВИ. инструмент — 25А16ПЗИЗЗ12К5К04О, 1, 2, 3 — обрабатываемые лопатки

Рис. 1. Эпюры распределения остаточных напряжений в поверхностном слое «ёлочного» профиля хвостовика после глубинного шлифования:
а — материал ЖС6К. инструмент — 25А1ОПЗИ2912К5К04О. станок — модель SS013L; 
б — схема вырезки образцов для исследования остаточных напряжений в поверхностном слое;
в — образец для определения остаточных напряжений; г — материал ЖС6У — ВИ. инструмент — 25А16ПЗИЗЗ12К5К04О,
1, 2, 3 — обрабатываемые лопатки

Технология глубинного шлифования позволяет:

  • повысить концентрацию технологических операций и за счет этого исключить отрицательное влияние технологической наследственности каждой из заменяемых операций;
  • повысить точность взаимного расположения различных участков сложнопрофильных поверхностей, их формы и геометрических параметров;
  • повысить стабильность параметров качества поверхностного слоя:
  • сократить трудоемкость изготовления лопаток;
  • обеспечить полную автоматизацию цикла обработки.

Результаты экспериментальных исследований глубинного шлифования подтверждают высокое значение параметров качества поверхностного слоя сложнопрофильных поверхностей хвостовиков лопаток турбины из жаропрочных сплавов с равноосной кристаллической структурой марок ЖС6К и ЖС6У-ВИ после их обработки.

Рис. 2. Рабочие лопатки турбины 2‑й ступени изд.Д-36 после глубинного шлифования «ёлочного» профиля хвостовика и схема вырезки образцов для исследования микроструктуры поверхностного слоя: а — вид на торцы хвостовиков рабочих лопаток 1 и 2 турбин со стороны входных кромок; б — схема вырезки образцов; в — образец для исследования микроструктуры поверхностного слоя после глубинного шлифования

Рис. 2. Рабочие лопатки турбины 2‑й ступени изд.Д-36 после глубинного шлифования «ёлочного» профиля хвостовика и схема вырезки образцов для исследования микроструктуры поверхностного слоя:
а — вид на торцы хвостовиков рабочих лопаток 1 и 2 турбин со стороны входных кромок;
б — схема вырезки образцов;
в — образец для исследования микроструктуры поверхностного слоя после глубинного шлифования

Формообразование «ёлочного» профиля хвостовика проводилось высокопористыми абразивными кругами 25А10ПЗИ2912К5КО40 и 25А16П3113312К5КО40, соответственно, с порообразующими наполнителями, в виде фруктовых косточек на станках модели SS013L и ЛШ-220 с охлаждением зоны обработки синтетической жидкостью «АКВОЛ-2» (1,5 %-й водный раствор) за три прохода (табл. 2, 3).

Точность обработки — по 8… 10 квалитетам.

Шероховатость поверхностей хвостовика лопаток турбины после глубинного шлифования не превышает Rа = 0,8… 1,2 мкм.

В поверхностном слое «ёлочного» профиля хвостовиков стабильно формируются остаточные напряжения сжатия (рис. 1).

Максимальная величина остаточных напряжений сжатия для материала ЖС6К находится в диапазоне от 150 до 300 МПа. а для ЖС6У-ВИ — в пределах от 75 до 125 МПа.

Глубина распространения сжимающих напряжений в поверхностном слое «ёлочного» профиля — в интервале 40… 80 мкм.

Максимальная величина степени наклепа — 5… 12 %.

Глубина наклепанного слоя — 0,03… 0,04 мм.

Трещины и прижоги на обработанных поверхностях профиля после глубинного шлифования не выявлены.

Трудоемкость обработки одной детали снизилась на 30… 40 % по сравнению с обработкой резанием лезвийным инструментом.

Производительность обработки повысилась в 2… 2,5 раза.

Металлографические исследования поверхностного слоя у поверхности елочных выступов и в удаленных зонах хвостовиков лопаток турбины из сплавов ЖС6К и ЖС6У — ВИ показали, что их микроструктура стабильна и в процессе шлифования не изменяется и представляет собой твердый раствор с карбидным интерметаллидным упрочнением (рис. 2, 3).

Рис. 3. Микроструктура поверхностного слоя после глубинного шлифования «ёлочного» профиля хвостовиков лопаток турбины 2‑й ступени изделия Д-36: а — лопатка 1 (рис. 2);  б — лопатка 2 (рис. 2)

Рис. 3. Микроструктура поверхностного слоя после глубинного шлифования «ёлочного» профиля хвостовиков лопаток турбины 2‑й ступени изделия Д-36:
а — лопатка 1 (рис. 2); 
б — лопатка 2 (рис. 2)

Глубинное шлифование поверхностей хвостовиков лопаток турбины по сравнению с формообразованием этих поверхностей резанием повышает предел выносливости на 4,0… 7,0 %.

Перспективы дальнейших исследований. При необходимости дополнительной стабилизации и повышения предела выносливости хвостовиков лопаток турбины после глубинного шлифования выполняют стабилизирующую термообработку с последующим поверхностным упрочнением.

Поэтому дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение влияния технологической наследственности сочетания глубинного шлифования и различных видов финишной упрочняющей обработки на предел выносливости рабочих лопаток турбины в целях определения наиболее рационального.

Выводы. Полученные результаты позволяют более целенаправленно применять глубинное шлифование при обработке различных поверхностей конструктивных элементов рабочих лопаток турбины, а также более рационально устанавливать технологические условия и режимы обработки, обеспечивающие высокое качество при изготовлении данных деталей из жаропрочных никелевых сплавов.

А. Я. Качан, д-р техн. наук;
А. В. Богуслаев, канд. техн. наук;
В. Ф. Мозговой, канд. техн. наук,
ОАО «Мотор Сич»


Комментарии (0)