Донецк, Украина
аспирант с 01.01.2020 по 01.01.2024
Автомобильно-дорожный институт (филиал) Донецкий национальный технический университет (кафедра "Автомобильный транспорт", старший преподаватель)
сотрудник с 01.01.2023 по настоящее время
Россия
УДК 621 Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
Полирование является завершающим этапом отделочной обработки лопаток турбин газотурбинного двигателя. Лопатки характеризуются сложной пространственной формой пера, к которому выдвигаются жесткие требования к шероховатости поверхностного слоя. Отклонение геометрических форм, размеров и параметров качества поверхности профиля пера лопатки от расчетных ухудшает рабочие характеристики двигателя, приводит к потере мощности, уменьшению КПД и снижению экономичности двигателя и его надежности, особенно под действием переменных нагрузок, вызванных изменениями в режиме работы, такими как взлет, посадка и т.д. Вследствие этого становится важным определить точные технологические параметры, такие как усилие прижима, используемое при полировании, чтобы добиться минимальных отклонений в процессе обработки. Представлены результаты экспериментального исследования изменения пятна контакта при полировании образца упрощенной модели лопатки ГТД в зависимости от величины усилия прижима и материала полировальника. Детально описана методика проведения эксперимента, используемое оборудование и оснастка, а также технологические режимы обработки. Приведены теоретические сведения о схеме обработки и теоретической величине пятна контакта для рассматриваемых усилий при обработке кругами из различных материалов. Приведены результаты экспериментального исследования, установлена взаимосвязь между изменением усилия прижима и шириной пятна контакта, и построена номограмма взаимосвязи теоретического и экспериментального значения полуширины пятна контакта при полировании, подтверждающие возможность применения контактной задач Герца при определении пятна контакта полировального круга. Даны рекомендации по применению полученных данных при проектировании технологического процесса отделочной обработки сложных пространственных поверхностей лопаток ГТД за счет применения теоретических и экспериментальных методов расчета пятна контакта. Предложенные подходы могут быть использованы в производстве для повышения качества и долговечности деталей лопаточного аппарата газотурбинных двигателей.
полирование, лопатка турбины, профиль, пятно контакта, усилие прижима
Введение
В настоящее время процессы отделочной обработки лопаток газотурбинного двигателя (ГТД) как у нас в стране, так и за рубежом, носят преимущественно ручной характер, что в большей степени обусловлено сложной пространственной формой пера лопатки [1]. Активно применяются различные виды полирования, в том числе полирование на полировальных бабках, с применением в качестве инструмента специальных войлочных кругов с накатанными на профиль абразивными зернами, или микропорошков [2]. Эти процессы разделяют на такие переходы как предварительное и окончательное полирование, а также глянцевание [3].
Обеспечение постоянства обработки при этом, очень часто зависит от уровня квалификации рабочего, т. к. такие параметры, как усилие прижима и длительность обработки в каждой характерной точке профиля, могут изменятся в широком диапазоне, что обусловлено сложным пространственным профилем лопаток [4]. Результатом такого процесса обработки является непостоянство технологических воздействий, вследствие чего на готовом изделии могут наблюдаться локальные зоны, характеризующиеся более низким качеством обработанной поверхности, либо же процесс обработки существенно увеличивается из-за применения нерациональных режимов резания. С учетом и без того очень сложных условий эксплуатации, которым подвергаются лопатки турбины в процессе работы, наличие дополнительных вышеупомянутых участков может приводить к ускоренному выходу из строя лопаток в частности, и ГТД в целом.
Целью данной работы является экспериментальная проверка теории о нахождении пятна контакта при полировании путем решения контактной задачи Герца, предложенной коллективом авторов в своей работе [5], для расчета сил при назначении технологических параметров обработки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, таких как: разработка методики выполнения экспериментальных исследований, проведение исследований и обработка полученных экспериментальных данных, их анализ и сравнение с теоретическими, полученными по представленным зависимостям, а также установление их взаимосвязи. Все эти задачи решаются в данной работе.
Методика выполнения экспериментальных исследований
Проведенные экспериментальные исследования направлены на экспериментальную проверку и подтверждение теории о нахождении пятна контакта при полировании путем решения кон
тактной задачи Герца, описанной в работе [5]. Следует отметить, что попытка подтверждения применения данной теории уже проводилась [6], и при проведении экспериментальных исследований были учтены все замечания и рекомендации, а именно: увеличение жесткости всей экспериментальной установки, уменьшение биения полировального круга перед проведением замеров, повышение мощности привода.
Экспериментальная проверка проводилась для схемы обработки полировальным кругом прямого профиля наружной поверхности пера лопатки, при условии, что радиус полировальника больше, чем радиус обрабатываемой лопатки 
, представленной на рис. 1.
Процесс экспериментального исследования заключается в последовательной обработке образцов со ступенчатым изменением величины прижима детали к полировальному кругу, и последующем замере размеров полученного пятна контакта. Размеры пятна контакта, полученного в результате эксперимента, сравниваем с расчетными параметрами, полученными по зависимостям, представленным в работах [5 – 7].
При проведении эксперимента каждый из подготовленных образцов был разделен на пять зон, для определения размеров пятна контакта при различных усилиях прижима. Для облегчения проведения замеров пятна контакта на контрольных образцах, перед проведением экспериментальных исследований образцы покрывались тонким слоем перманентного
красителя.
Оборудование и оснастка
В качестве основы для экспериментальной установки использовался токарно-винторезный станок. Выбор был обусловлен рядом факторов, в том числе учтенных в работе [6], а именно:
– высокая жесткость системы станок, приспособление, инструмент, деталь;
– возможность закрепления инструмента в центрах, тем самым устранив потенциальную возможность отгиба полировальника;
– механическая подача обрабатываемой заготовки на полировальный круг;
– высокая мощность привода главного движения, гарантирующая постоянство параметров обработки при увеличении силы прижима детали.
Станок был переоснащен для проведения эксперимента следующим образом.
В патроне закреплено специальное зажимное приспособление, на которой размещен полировальный круг. Из конструктивных соображений свободный конец оправки поджат вращающимся центром, что позволяет повысить жесткость системы в целом. Обрабатываемая заготовка закреплена в специальной оправке, и установлена в штатный резцедержатель станка (рис. 2).
На противоположной стороне в резцедержатель установлен кронштейн для тяги цифрового динамометра модели AMF-500, закрепленного на суппорте станка. Рассматриваемый цифровой динамометр позволяет проводить измерение усилий прижима в двух направлениях (как для случаев сжимающего, так и тянущего воздействия на тягу динамометра), о чем свидетельствует соответствующая пиктограмма на дисплее, в диапазоне до 500 Н, при этом устройство позволяет отображать как текущую величину усилия, так и пиковую в конкретном замере.
Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 3, а режимы обработки в табл. 1.
Подготовка к проведению экспериментального исследования проводилась с учетом следующих подготовительных операций: установка и проверка параллельности установки специального зажимного приспособления
(см. рис. 2) относительно оси вращения полировального круга; тарирование цифрового динамометра; комплексная проверка обоих подготовительных этапов путем последовательной обработки двух контактных площадок на краях заготовок с одинаковым усилием прижима, и их сравнение.
После подготовительных операций обрабатываемые образцы очищались от пыли и следов проверок и повторно покрывались тонким слоем перманентного красителя, после чего проводились контрольные замеры с фиксацией усилия в соответствующем протоколе. Диапазон измерения усилия прижима был заведомо расширен до 260 Н, что позволит охватить любые виды и схемы обработки полировальными кругами.
Полученные результаты
Результатом данного исследования является экспериментальная проверка изменения пятна контакта при обработке профиля, эквивалентного профилю лопатки турбины [8], в зависимости от прилагаемых усилий, и сравнение полученных результатов с теоретическими данными, рассчитанными по зависимостям [5].
В результате проведения эксперимента был получен ряд значений, выдержка из которых представлена в табл. 2, а общий вид обработанных образцов представлен на рис. 4.
Для приведенной схемы полирования, полуширина пятна контакта находится по формуле:
(1)
где 
– усилие прижима, Н; 
– ширина полировального круга, мм; 
– радиус заготовки (лопатки), мм; 
– радиус полировального круга, мм; 
– коэффициент Пуассона материала заготовки (лопатки) и круга соответственно; 
– модуль упругости материала полировальника и лопатки соответственно.
Теоретические данные, для аналогичных условий обработки приведены в табл. 3.
На основе экспериментальных данных пятна контакта, в зависимости от величины усилия прижима, находим функцию зависимости ширины пятна контакта от усилия прижима с применением метода наименьших квадратов. Искомая закономерность описывается степенной функцией y = 5,2838x0,122. Аналогичным образом по известной методике находим искомые функции зависимости теоретической ширины пятна контакта от усилия прижима. Основываясь на полученных графиках и эмпирических зависимостях, строим номограмму для определения ширины пятна контакта в зависимости от полученных теоретических значений, в зависимости от применяемого материала полировальника. Приведенные результаты экспериментальных исследований доказывают, что применение контактной задачи Герца при определении пятна контакта полировального круга является достоверным. Однако с учетом сложных функций изменения полуширины пятна контакта в зависимости от усилия прижима для различных материалов, для упрощения его нахождения можно использовать номограмму (рис. 6), построенную по полученным зависимостям.
Обсуждение результатов
Полученные результаты позволяют не только определить геометрические параметры пятна контакта при обработке, а и лечь в основу технологического процесса, обеспечивающего постоянство процесса резания в каждой точке сложного пространственного профиля лопаток ГТД как при ручной обработке [9, 10], так и при автоматизированной [11]. При этом реализация такого технологического процесса может быть основана на обеспечении постоянства режимов обработки в каждой зоне профиля пера лопатки при реализации типового ТП, так и контролируемых переменных воздействий при реализации функционально-ориентированного технологического процесса.
Выводы
Как следствие всего вышесказанного, можно утверждать, что применение контактной задачи Герца применимо к процессам полирования в целом, и в определении геометрических параметров пятна контакта, в частности. Это дает ряд преимуществ, таких как:
1. Оптимизация процесса полировки благодаря более эффективному процессу контроля и регулировки операций полирования, за счет управления режимами обработки;
2. Повышение производительности за счет более точного прогнозирования времени обработки в каждой характерной зоне обрабатываемого изделия;
3. Снижение вероятности повреждений обрабатываемых изделий за счет минимизации чрезмерных нагрузок;
4. Применение при проектировании технологических процессов автоматизированной или роботизированной полировки изделий со сложным пространственным профилем;
1. Мубаракшин Р.М., Дическул М.Д., Николаев Н.Н. Роботизированная адаптивная размерная полировка компрессорных и турбинных лопаток // Авиационные двигатели. 2021. № 4 (13). С. 51–62. DOIhttps://doi.org/10.54349/26586061_2021_4_51. EDN YGFKKK.
2. Макаров В.Ф. Разработка высокоэффективных технологических процессов обработки деталей газотурбинных двигателей для авиации и наземных установок // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. 2017. № 1(40). С. 159–166. EDN YOYBXN.
3. Макаров В.Ф., Жукотский В.А., Бычина Е.Н. Проблемы автоматизации финишной обработки сложнопрофильных поверхностей лопаток ГТД // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 8-2. С. 52–55. EDN WLXUTT.
4. Михайлов Д.А. Некоторые особенности полировки криволинейных поверхностей лопаток ГТД из титановых сплавов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. 2014. № 3(49). С. 120–127. EDN TPNXPT.
5. Михайлов А.Н., Анастасьев А.В., Пичко Н.С. Обеспечение постоянства контактной нагрузки при полировании сложного профиля пера лопатки турбины ГТД // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. 2023. № 2 (81). С. 26–34. EDN ZDUZXB.
6. Михайлов А.Н., Анастасьев А.В., Пичко Н.С. Экспериментальное подтверждение адекватности применения контактной задачи Герца при определении пятна контакта полировального круга // Высокие технологии в машиностроении: Материалы XX всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Самара, 09–10 ноября 2023 года. Самара: Самарский государственный технический университет, 2023. С. 84–88. EDN RADZUU.
7. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов / 2-е изд., перераб. и доп. Киев: Наук. думка, 1988. 736 с. ISBN 5-12-000299-4.
8. Михайлов А.Н. Анастасьев А.В., Пичко Н.С. Построение упрощенного профиля пера лопатки турбины ГТД // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности : Сборник трудов XXI МНТК, Екатеринбург, 6–7 апреля 2023 г. Екатеринбург: Уральский государственный горный университет, 2023. С. 305–308. EDN HKHMAU.
9. Анастасьев А.В., Михайлов А.Н. Синтез структуры технологического процесса обеспечения постоянства условий резания при отделочной обработке лопаток ГТД // Наука, инновации и технологии: от идей к внедрению: Материалы ВНПК молодых ученых, Комсомольск-на-Амуре, 16–17 ноября 2023 г. Комсомольский-на-Амуре государственный университет, 2023. С. 3–5. EDN QJNBRV.
10. Суслов А.Г., Федонин О.Н., Медведев Д.М. Проектирование функционально ориентированных технологических процессов // Вестник машиностроения. 2019. № 9. С. 66–71. EDN TDBHLR.
11. Дударев А.С., Баяндин Е.В. Роботизированное шлифование лопаток газотурбинных двигателей // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2023. № 4 (360). С. 126–130. DOIhttps://doi.org/10.33979/2073-7408-2023-360-4-126-130. EDN IVJEKT.
