СПОСОБ СТРОЧНОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ ПЕРА ЛОПАТКИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА МНОГОКООРДИНАТНЫХ СТАНКАХ С ЧПУ Российский патент 2017 года по МПК B23C3/18 

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для обработки лопаток газотурбинного двигателя (ГТД) на многокоординатных фрезерных станках с числовым программным управлением (ЧПУ).

Известен способ строчного фрезерования пера лопатки газотурбинного двигателя, при котором лопатку обрабатывают фрезой, совершающей вращение и осевое перемещение (Крымов В.В. и др. «Производство лопаток газотурбинных двигателей», М., Машиностроение, 2002, с. 142-146).

Недостатком известного способа является низкое качество поверхности и большой припуск после фрезерования (0,7…0,3 мм) под последующее шлифование и полирование.

Наиболее близким по технической сущности является способ строчного фрезерования профиля лопатки газотурбинного двигателя, при котором лопатке сообщают вращение вокруг собственной оси и обрабатывают фрезой со сферической рабочей поверхностью, совершающей вращение и интерполированное осевое перемещение (патент RU №2354508, В23С 3/18, 2007 г.).

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является низкое качество поверхности и низкая производительность обработки вследствие необоснованного назначения управляемых параметров режимов фрезерования.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении производительности обработки при обеспечении требуемых показателей качества (точности профиля пера лопатки и шероховатости фрезеруемой поверхности).

Указанный технический результат достигается тем, что в способе строчного фрезерования пера лопатки газотурбинного двигателя на многокоординатных станках с ЧПУ, включающем сообщение лопатке вращения вокруг собственной оси и обработку пера лопатки поперечными строчками фрезой со сферической рабочей поверхностью, которой сообщают вращение и интерполированное осевое перемещение, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, для каждой строчки и угла поворота лопатки предварительно рассчитывают осевой и полярный моменты инерции сечений лопатки, затем определяют предельно допустимое значение составляющей силы фрезерования, по которому рассчитывают окружную подачу фрезы, с учетом которой в процессе обработки задают частоту вращения лопатки, рассчитывают интерполированный угол разворота оси фрезы от нормали к точкам профиля сечения лопатки относительно оси, перпендикулярной оси фрезы и проходящей через центр ее сферической рабочей поверхности, и соответствующую указанному развороту частоту вращения фрезы из условия обеспечения заданной шероховатости поверхности пера лопатки и скорости фрезерования.

На фиг. 1 изображено перо лопатки (схема к расчету деформации лопатки при поперечном строчном фрезеровании).

На фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 - схема контакта фрезы и обрабатываемой поверхности в сечении А-А.

На фиг. 4 - схема контакта фрезы и обрабатываемой поверхности для соседних строчек сечения А-А.

Для осуществления предлагаемого способа устанавливают управляемые параметры режима фрезерования, влияющие на точность, шероховатость профиля пера лопатки и производительность его обработки. Точность профиля пера лопатки для каждой строчки и угла ее поворота будет определяться величиной деформации лопатки, которая не должна превышать допуска на его изготовление. На фиг. 1 и 2 приведены следующие обозначения: l - длина пера лопатки, м; a_i - координата строчки лопатки, м; P_i - составляющая силы фрезерования в направлении координаты Y для каждой строчки и угла поворота лопатки, Н; b_i - плечо приложения силы P_i относительно оси Z, м; δ_i - суммарная деформация пера лопатки от изгиба и скручивания под действием силы P_i для каждой строчки и угла поворота, м.

При обработке пера поперечными строчками лопатка вращается вокруг оси Z, а фреза перемещается при прохождении каждой строчки в направлении координат Y и X с подачей S. После одного полного оборота лопатки вокруг оси Z фреза смещается в продольном направлении на шаг строчки и процесс фрезерования возобновляется. Каждое сечение обрабатываемой поверхности пера лопатки характеризируется размером a_i. При прохождении фрезой строчки в сечении a_i постоянно изменяется расстояние между ее режущей частью и осью вращения лопатки, т.е. изменяется размер b_i. Для каждой строчки и угла поворота лопатки, при рассмотрении ее как двухопорной балки, величина суммарной деформации пера лопатки δ_i определяется как сумма деформаций под действием силы P_i от изгиба (f_yi) и скручивания (f_кр⋅i) из следующих выражений (Ицкович Г.М. и др. Руководство к решению задач по сопротивлению материалов. Высшая школа, М., 1970. C. 77-79, 192-194):

где Е - модуль упругости обрабатываемого материала, Н/м²; G - модуль сдвига материала, Н/м²; J_x - момент инерции площади поперечного сечения пера лопатки относительно оси X, м⁴; J_k - момент инерции площади поперечного сечения пера лопатки при кручении относительно оси Z, м⁴.

Суммарное значение линейных и угловых деформаций пера лопатки определяется выражением

Для расчета δ_i по формуле (1) необходимо знать числовые значения моментов инерции J_x и J_k, которые должны быть предварительно рассчитаны для каждой строчки и угла поворота лопатки по чертежу геометрической модели лопатки для операции фрезерования.

Точность обработки профиля пера лопатки определяется зависимостью

где K=0,3…0,7 - коэффициент использования поля допуска, Т_оп - допуск на операционные размеры при фрезеровании профиля пера лопатки.

Из выражения (2) может быть определено предельно допустимое значение составляющей силы фрезерования [P_i] для каждой строчки и угла поворота лопатки

Составляющая силы фрезерования P_i определяется из выражения (Гуревич Я.Л., Горохов М.В., Захаров В.И. и др. Режимы резания труднообрабатываемых материалов. М., Машиностроение. 1986, с. 136-137).

где С_р, х, у - коэффициент и показатели степени, определяемые экспериментально, V_p - скорость фрезерования, м/мин, S_i - подача фрезы при строчном фрезеровании, мм/мин. При фрезеровании титановых сплавов: С_р=55…65, х=0,15…0,2, у=0,65…0,7; V_p≥120 м/мин, S_i≤1000 мм/мин, t=0,1…0,2 (при окончательных проходах).

Предельно допустимое значение составляющей силы фрезерования [P_i] зависит от двух взаимно независимых управляемых параметров режима фрезерования (V_p, S_i), сочетание которых должно быть обеспечено для каждой строчки и угла поворота лопатки согласно условию (3). Рекомендуемая скорость фрезерования V_p обеспечивается для каждой строчки и угла поворота лопатки интерполированным разворотом оси фрезы от нормалей к точкам профиля сечения лопатки относительно оси, перпендикулярной оси фрезы и проходящей через центр сферической рабочей поверхности, на угол γ (Фиг. 3). В процессе формообразования поперечной строчки каждая точка, образующая профиль пера лопатки, характеризуется своим положением нормалей: N₁, N₂, N₃ и т.д. При этом для обеспечения постоянства значений эффективных радиусов R_min режущей кромки фрезы угол наклона γ должен быть отличным от 0, что возможно, если нормалям N₁, N₂, N₃ отвечают соответственно положения осей фрезы 0₁, 0₂, 0₃ и т.д. В этом случае R_min отличны от нуля, что исключает процессы пластического деформирования (подмятие материала вершиной фрезы) при фрезеровании профиля пера лопатки. При окончательном фрезеровании профиля пера значение угла разворота γ оси фрезы относительно нормалей к точкам профиля может быть найдено из геометрических соотношений, приведенных на Фиг. 4:

где R_ф - радиус сферической поверхности фрезы, м; R_z - высотный параметр продольной шероховатости профиля пера лопатки при поперечном строчном фрезеровании, оговариваемый чертежом, м; h - шаг строчек вдоль оси лопатки, м.

После преобразования (5) получим

Частота вращения фрезы n_ф, соответствующая рассчитанному по формуле (6) углу разворота оси фрезы γ и требуемой скорости фрезерования V_p, определяется из выражения

где: n_ф - частота вращения фрезы, с^-1.

Подставляя (4) в (3) получим выражение для расчета второго управляемого параметра режима фрезерования S_i для каждой строчки и угла поворота лопатки в виде

по значению которого задают частоту вращения лопатки n₀ для каждой строчки и угла поворота лопатки из следующего выражения

где S_i - окружная подача фрезы; R_αi - радиус точки профиля пера лопатки относительно оси ее вращения, соответствующей углу поворота α для i-й строчки; β_i - угол между вектором S_i и перпендикуляром к радиусу R_αi.

Выбор n₀ для каждой строчки и угла поворота лопатки изменяет производный режим фрезерования S_i=S_z⋅z⋅n₀, где S_z - рекомендуемая подача на зуб фрезы, z - число зубьев фрезы, и соответственно обеспечивает максимальную производительность фрезерования через изменение машинного времени

где L - длина контура при фрезеровании i-й строчки, N - число строчек при фрезеровании лопатки.

Для обеспечения требуемой точности профиля и шероховатости поверхности пера лопатки при максимальной производительности обработки установлена зависимость управляемого параметра режима фрезерования для каждой строчки N и угла поворота лопатки α в виде n₀=f(N, α).

Способ осуществляется следующим образом.

Для осуществления предлагаемого способа предварительно рассчитывают осевой и полярный моменты инерции сечений лопатки для каждой строчки N и угла поворота α лопатки. Устанавливается зависимость J_x, J_p=f(N, α).

Определяют предельно допустимое значение составляющей силы фрезерования [P_i] для каждой строчки N и угла поворота лопатки α в соответствии с выражением (3). Устанавливается зависимость [P_i]=f(N, α).

Из условия обеспечения требуемой шероховатости R_z поверхности лопатки и рекомендуемой скорости фрезерования V_p рассчитывается для каждой строчки N и угла поворота лопатки α угол разворота оси фрезы γ относительно нормали к точкам профиля сечения лопатки относительно оси, перпендикулярной оси фрезы и проходящей через центр сферической рабочей поверхности, в соответствии с выражением (6), и соответствующая ему частота вращения фрезы n_ф в соответствии с выражением (7). Устанавливаются числовые значения γ и n_ф.

Для обеспечения максимальной производительности обработки, при неизменной рекомендуемой скорости фрезерования V_p, из условия обеспечения предельно допустимого значения силы фрезерования [P_i], в соответствии с выражением (3), устанавливают функциональную зависимость для каждой строчки N и угла поворота лопатки α для второго управляемого параметра режима фрезерования S_i, в соответствии с выражением (8), по значению которого определяют значения n_o, в соответствии с выражением (9). Устанавливают зависимость n₀=f(N, α).

Установлена функциональная зависимость управляемых параметров режима фрезерования для каждой i-й строчки и угла поворота лопатки α в виде n_ф, n₀=f(N, α) из условия обеспечения требуемых точности и шероховатости поверхности профиля пера лопатки при максимальной производительности фрезерования.

Получив зависимость управляемых параметров в виде n_ф, n₀=f(N, α), разрабатывают управляющую программу для станка с ЧПУ.

Пример конкретного выполнения.

На 5-координатном фрезерном станке с ЧПУ фирмы Matsuura модели МАМ 72-63V фрезеровалась рабочая лопатка IV ступени ГТД из сплава ВТ 8М длиной 151,63 мм, к точности формы, размеров и расположения пера которой предъявляются требования 13-14 квалитета (предельное отклонение контуров сечений профиля пера от теоретического T_oп=0,1 мм). Шероховатость поверхности профиля пера R_z=20 мкм. Лопатка обрабатывалась фрезой со сферической рабочей поверхностью D12R6-64RL12 TiAIN фирмы Cerin (диаметр фрезы 12 мм, число зубьев z=4, радиус сферической рабочей поверхности R_ф=3,5 мм) на рекомендуемых параметрах режима: скорость фрезерования V_p=120 м/мин, подача на зуб фрезы S_z=0,05 мм/зуб. При заданной рекомендуемой скорости фрезерования частота вращения фрезы n_p=1000V_p/(2πR_ф)=2730 об/мин, что определяет производную скорость окружной подачи S_m=S_z⋅z⋅n_p=546 мм/мин. Строчное фрезерование выполнялось со смещением фрезы вдоль оси лопатки на величину шага строчки h=1,5 мм. Полное формообразование пера лопатки осуществлялось после фрезерования 100 строчек. Машинное время фрезерования пера лопатки составило $$tм={\displaystyle \sum _{i=i}^{100}{L}_i/S_m=\mathrm{87,5}мин}$$.

По предлагаемому способу предварительно определяют осевой и полярный моменты инерции для всех строчек и углов поворота лопатки. Выполним проектный расчет окружной подачи фрезы S_i по выражению (8) при фрезеровании строчки N_i=59 (a_i=87 мм, b_i=0), когда возможен наибольший прогиб δ_i под действием составляющей силы фрезерования P_i. Для этого сечения и углов поворота лопатки предварительно рассчитывают осевые моменты инерции J_x приведенные в таблице.

Согласно данным таблицы наибольший прогиб лопатки в этом сечении будет происходить при углах поворота α=0,180°, наименьший - при α=90,270°. Расчет S_i выполним при следующих значениях параметров, входящих в выражения (8): Т_оп=0,1 мм, k=0,7, a_i=87 мм, b_i=0, l=151,63 мм, Е=2,1⋅10⁵ Н/мм², G=8⋅10⁴ Н/мм², V_p=120 м/мин, С_р=60, J_xmin=62,49 мм⁴, J_max=121,1 мм⁴.

Расчетные значения S_i составили: при α=0,180° - S_i=355 мм/мин, при α=90,270° - Si=947 мм/мин. По полученным значениям в соответствии с выражением (9) устанавливают значение управляемого параметра режима фрезерования n₀. Аналогичный проектный расчет выполняют для фрезерования каждой строчки и угла поворота лопатки.

Переменность окружной скорости подачи S_пер при фрезеровании каждой строчки лопатки позволило снизить машинное время фрезерования пера, расчетное значение которого составило $$t_{м}={\displaystyle \sum _{i=1}^N{L}_1/S_{пер}=\mathrm{73,4}мин}$$.

Получив зависимость управляемых параметров режима фрезерования в виде n_ф, n₀=f(N, α), разрабатывают управляющую программу для станка с ЧПУ.

Эффективность предложенного способа фрезерования оценивалась по производительности фрезерования (машинному времени на формообразование профиля пера лопатки). При обработке лопатки на базовых и рекомендуемых способом параметрах режима фрезерования были обеспечены требуемые параметры точности и шероховатости поверхности профиля пера лопатки. Рекомендуемые способом параметры режима фрезерования, за счет сокращения машинного времени, позволили повысить производительность обработки в 1,2 раза.

Предложенный способ фрезерования обеспечивает повышение производительности обработки при обеспечении требуемых параметров качества.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при обработке лопаток газотурбинного двигателя на многокоординатных фрезерных станках с числовым программным управлением. Способ включает сообщение лопатке вращения вокруг собственной оси и обработку пера лопатки поперечными строчками фрезой со сферической рабочей поверхностью, которой сообщают вращение и интерполированное осевое перемещение. Для каждой строчки и угла поворота лопатки предварительно рассчитывают осевой и полярный моменты инерции сечений лопатки, затем определяют предельно допустимое значение составляющей силы фрезерования, по которому рассчитывают окружную подачу фрезы, с учетом которой в процессе обработки задают частоту вращения лопатки, рассчитывают интерполированный угол разворота оси фрезы от нормали к точкам профиля сечения лопатки относительно оси, перпендикулярной оси фрезы и проходящей через центр ее сферической рабочей поверхности, и соответствующую указанному развороту частоту вращения фрезы из условия обеспечения заданной шероховатости поверхности пера лопатки и скорости фрезерования. Повышается производительность обработки и качество обработки. 1 табл., 4 ил.

Способ строчного фрезерования пера лопатки газотурбинного двигателя на многокоординатных станках с ЧПУ, включающий сообщение лопатке вращения вокруг собственной оси и обработку пера лопатки поперечными строчками фрезой со сферической рабочей поверхностью, которой сообщают вращение и интерполированное осевое перемещение, отличающийся тем, что для каждой строчки и угла поворота лопатки предварительно рассчитывают осевой и полярный моменты инерции сечений лопатки, затем определяют предельно допустимое значение составляющей силы фрезерования, по которому рассчитывают окружную подачу фрезы, с учетом которой в процессе обработки задают частоту вращения лопатки, рассчитывают интерполированный угол разворота оси фрезы от нормали к точкам профиля сечения лопатки относительно оси, перпендикулярной оси фрезы и проходящей через центр ее сферической рабочей поверхности, и соответствующую указанному развороту частоту вращения фрезы из условия обеспечения заданной шероховатости поверхности пера лопатки и скорости фрезерования.