«Металл-Столица». Продажа, ремонт и модернизация металлообрабатывающих станков и оборудования. Обработка и изготовление изделий из металла.

Технологии обработки компрессорных лопаток турбореактивных двигателей

Технологии обработки компрессорных лопаток турбореактивных двигателей
Основные этапы разработки технологического процесса обработки лопатки
Первый этап – применение CAD/ CAM-системы для разработки электронной трехмерной модели детали заготовки и технологической оснастки. Второй этап – подбор режущего и вспомогательного инструмента, разработка управляющих программ для станка с ЧПУ и их верификация на компьютере на отсутствие столкновений подвижных частей станка и режущего инструмента со станочной оснасткой и заготовкой, используя специализированные программы, такие как, например, VERICUT. Третий этап – выполнение обработки лопатки на станке по полученным управляющим программам. Этот этап включает также оптимизацию режимов резания и при необходимости управляющих программ. Принципиальное отличие обработки лопаток от обработки деталей других типов заключается в применении 5-координатного фрезерования и для черновой, и для чистовой обработки. Это в свою очередь диктует и дополнительные требования по реализации конструктивных решений, обеспечивающих увеличение жесткости шпиндельного узла, а также условий, способствующих стабильности процесса резания. Помимо этого технология обработки лопаток имеет ряд особенностей: обеспечение постоянства базирования на всех этапах изготовления при контроле геометрии лопатки; результат полностью зависит от качества разработанной в CAD/CAM системе трехмерной модели детали, алгоритмов написания управляющих программ и работы постпроцессора.

Рассмотрим пример создания техпроцесса. В соответствии с техническим заданием необходимо разработать технологический процесс изготовления лопатки с антивибрационной полкой общей длиной 185 мм. Обработку необходимо выполнить на 5-координатном обрабатывающем центре фирмы MIKRON UCP 600 VARIO TORQUE RTT с системой ЧПУ HEIDENHAIN TNC 530, оснащенным наклонно-поворотным столом с дополнительно установленной задней бабкой. На данном станке можно обрабатывать лопатки длиной до 285 мм, при этом максимальная длина заготовки может быть до 350 мм.
Задняя бабка оснащается стандартными центрами, вращающимся или неподвижным. Посадочное место выполнено в виде конуса Морзе, что позволяет устанавливать любое стандартное приспособление. Максимально возможное давление на деталь составляет 40 бар. С помощью системы управления можно предварительно задать два значения давления прижима и переключать их в процессе обработки. Такой подход дает возможность применять разные усилия прижима задней бабкой, например для черновой и чистовой обработки.

В качестве заготовки используется штамповка с окончательно обработанным замком лопатки. Закреплять заготовку в приспособление для обработки на станке MIKRON UCP 600 VARIO TORQUE RTT необходимо за эту замковую часть, обеспечив базирование оси лопатки по торцу замка со стороны входной кромки пера лопатки. Разработанный техпроцесс обеспечивает выполнение следующих основных условий:
• изготовление лопатки в соответствии с требованиями чертежа, включая участки сопряжений;
• параметр шероховатости поверхности Ra 0,6…0,8 для исключения последующей шлифовки;
• возможность контрольных измерений лопатки по существующей методике.
Ход выполнения работ включал в себя следующие этапы:
• создание математической модели лопатки по чертежу;
• оптимизация геометрии поверхностей лопатки для последующей разработки управляющих программ;
• конструирование станочных приспособлений;
• разработка комплекта управляющих программ с проверкой на отсутствие зарезов и коллизий при обработке.

Разработка технологического процесса
Первый этап работы – разработка трехмерной модели лопатки согласно информации, представленной на чертеже. Компрессорные лопатки – элемент изделия, поэтому проектируются в контексте «сборки», т.е. от концепта определяющего основные геометрические параметры и базовые элементы до сборочного чертежа всего изделия постепенно прорабатывается каждый узел и составляющие его детали. Для компрессорной лопатки основными базовыми элементами являются: ось компрессора; ось лопатки; поверхности рабочего канала – трактовые поверхности; геометрия зон элементов крепления лопатки.
Соответственно при компьютерном моделировании лопатки по чертежу необходимо придерживаться общей методики проектирования. Сначала воссоздаем по имеющимся размерам на чертеже всю базовую геометрию: ось компрессора, трактовые поверхности, элементы крепления лопатки и систему координат для построения пера лопатки. Далее по таблицам с координатами точек сечений лопатки строятся профили сечений.
После этого выполняется сложный этап, определяющий качество и точность обработанных поверхностей и сопряжений, – проектирование поверхностей спинки и корыта лопатки. Положение оси инструмента при обработке определяется нормалью в точке контакта, поэтому кривизна поверхности лопатки должна изменяться как можно плавней. На поверхности математической модели не должно быть локальных дефектов, выглядящих при анализе как ямы или волнистости.

Причины возникновения дефектов
Во-первых, координаты точек сечений на чертеже определены с недостаточной точностью, а в ряде случаев с ошибками. Во-вторых, выявить такие погрешности на обработанной лопатке проблематично, так как чистовая обработка выполняется шлифованием ручным способом. Таким образом, особенности технологического процесса, базирующегося на универсальном оборудовании, устраняют погрешности задания сечений поверхностей пера лопатки. По этой причине при создании математических моделей лопаток очень часто приходится корректировать табличные координаты. Это
очень кропотливая и непростая работа, с одной стороны, не должно быть чередования выпуклых и вогнутых участков, с другой – переходы между выпуклыми и вогнутыми участками необходимо сделать как можно более плавными по кривизне, а также нужно исключить выход за границы поля допуска при фрезеровании.

Такой контроль позволяет получить кривизну поверхности спинки или корыта одного знака в пределах участка с плавным ее изменением. Это обеспечивает в первую очередь плавное изменение положения нормали в точке контакта инструмента, а в идеале исключает полностью
или уменьшает реверсивные угловые перемещения оси инструмента и снижает амплитуду колебаний по угловым координатам при фрезеровании. Как следствие, увеличение диапазона углов отклонения оси инструмента (угол опережения или запаздывания и угол наклона) при многокоординатной обработке, что позволяет улучшить условия резания, например для сферического инструмента исключить работу вершиной инструмента, где скорость резания равна нулю, а для радиусного инструмента исключить подрезы неработающей частью торца фрезы уже обработанной поверхности. Также появляется возможность работать с меньшими вылетами инструмента.

Следующий этап – проектирование станочной оснастки для обработки детали на станке. Для того чтобы определить, каким образом установить заготовку лопатки, необходимо ознакомиться с процедурой обмеров лопатки при приемке службой технического контроля, схемой базирования лопатки при замерах и учесть эти базы при установке в станочном приспособлении. В данном случае была повторена схема для замеров при базировании в станочном приспособлении, т.е. взята одна и та же базовая плоскость (торец замка лопатки со стороны входной кромки) для определения положения оси лопатки при обработке.

Для закрепления заготовки лопатки, как правило, применяются простые по конструкции и обеспечивающие максимальную жесткость закрепления зажимные приспособления. В рассматриваемом случае были использованы стандартные тиски фирмы SPREITZER, установленные на палете фирмы 3R. Для зажима заготовки лопатки с предварительно обработанным замком были изготовлены специальные губки, повторяющие профиль замка лопатки. Для задания положения оси лопатки в конструкции губок предусмотрен специальный упор, также как и в приспособлении для измерений. Для станка MIKRON UCP 600 Vario Torque используется контропора в виде подвижной задней бабки с упорным вращающимся центром. Такой способ закрепления требует, чтобы заготовка была предварительно зацентрована. Центровать заготовки можно как на отдельном станке, так и на станке MIKRON UCP 600 Vario Torque. В рассматриваемом примере было принято решение выполнять центровочное отверстие и обработку лопатки на одном станке.

Для выполнения операции центрования было разработано дополнительное приспособление, обеспечивающее сверление центровым сверлом без снятия пиноли с задним центром. Для этого на стандартной палете фирмы 3R размещается специальная колонна с установленными на ней тисками. Тиски и зажимные губки используются такие же, как и в приспособлении для фрезерования лопатки. Завершающий этап в подготовке техпроцесса – это составление управляющих программ. Заготовка лопатки уже имела обработанный окончательно замок, поэтому процедура взаимной привязки заготовки и детали на станке для определения фактического положения системы координат для разработки управляющих программ не выполнялась. Поверхность спинки, корыта, антивибрационной полки и всех участков сопряжения – это геометрически сложные поверхности. Обработка их требует активного контроля за поведением оси инструмента на траектории. Поэтому для разработки управляющих программ использовался специализированный программный модуль, написанный для CAM-системы Unigraphics NX. Это позволило обеспечить высокую точность обработанной лопатки. При этом неравномерность припуска под полировку в местах стыковки участков сопряжений не превысила 0,03 мм. Замеренная величина параметра шероховатости обработанных поверхностей составила Ra = 0,6…0,8 мкм.

Как видим, весь объем работ по подготовке выполняется вне станка, и станок нужен только для обработки по управляющим программам. Тем не менее станок должен обладать определенным набором характеристик. Основное назначение – это, конечно, реализация требуемых режимов резания для режущего инструмента. Станок «Микрон UCP 600 Vario Torque» имеет жесткую конструкцию. Станина выполнена из полимербетона. Этот материал отлично поглощает вибрации и обладает высокой термостабильностью. Беззазорные линейные направляющие качения имеют долгий срок службы.
Высокопроизводительный мощный мотор-шпиндель оснащен подшипниками, смазывающимися масляным туманом. Благодаря этому фрезерование может производиться долгое время на максимально высокой скорости без риска повреждения шпинделя.

Помимо стандартного функционала обрабатывающий центр оснащен системой ЧПУ HEIDENHAIN TNC 530. Все, начиная с мотора, находится под контролем Heidenhain. Компенсируются погрешности: линейной и нелинейной осей, зазора, пиковые отклонения при круговых движениях. Система ЧПУ имеет ряд опциональных программных модулей по оптимизации процесса обработки. Например, модуль по контролю температурного состояния станка позволил на этапе отработки управляющих программ, когда работа велась не один день с достаточно большими перерывами, получить места стыковки программ даже при чистовой обработке без заметных перепадов.

Процесс фрезерования производился в такой последовательности:
• черновая обработка антивибрационной полки;
• черновая обработка для удаления основного объема материала;
• получистовая и чистовая обработка полки до сопряжения с пером лопатки;
• получистовая обработка для выравнивания припуска и формирования трактовых поверхностей и пера лопатки;
• чистовая обработка пера лопатки до полки;
• обработка сопряжения полки, пера лопатки, включая комлевую часть;
• окончательная обработка трактовых поверхностей и сопряжений для получения требуемой геометрической точности и шероховатости поверхности.

В качестве режущего и вспомогательного инструмента применялся инструмент фирмы ISCAR. При разработке технологии для снижения времени обработки активно применялся торцовый инструмент. Снижение времени обработки происходит из-за уменьшения числа проходов по перу лопатки.
Для черновой обработки применяли торцовую фрезу серии FeedMil со сменными режущими пластинами диаметром 25 мм. Фрезы данного типа работают с большими подачами и малым съемом, при этом достигается высокая производительность удаления материала при полном отсутствии вибраций. При обработке лопатки были реализованы четыре режима. При обработке было отмечено снижение нагрузки на шпинделе, а также заметно снизилось время обработки примерно в 1,5 раза по сравнению с классической фрезой. Для получистовой обработки профиля пера лопатки использовался торцевой инструмент серии Multi Master фирмы ISCAR. Особенность данного типа инструмента – это сменные режущие головки. Головка крепится резьбовым соединением, быстро и удобно заменяется непосредственно на станке без затрат времени на наладку. Применение сменных головок позволяет значительно снизить затраты.

В результате суммарное время обработки лопатки составило 186 мин. За счет глубокой оптимизации управляющих программ и режимов резания время обработки может быть снижено до 120-130 мин. В целях снижения штучного времени при изготовлении партий деталей станок MIKRON UCP 600 VA.RIO TORQUE RTT оснащен магазином накопителем палет. Такое решение позволяет смену заготовок в рабочей зоне проводить автоматически. Использование палетных систем крепления позволяет выполнять монтаж заготовок и демонтаж готовых деталей вне станка параллельно с обработкой детали.
В результате была изготовлена лопатка в соответствии с требованиями технического задания. По оценке специалистов предприятия заказчика, достигнутая точность и качество поверхностей пера лопатки, полки и всех сопряжений делает возможным отказ от операции шлифовки и сразу после фрезерной обработки выполнять окончательную полировку.

Полученные результаты подтверждают высокие технические характеристики станка MIKRON UCP 600 Vario Torque и его способность обрабатывать лопатки с очень сложной геометрией из различных материалов, включая жаропрочные и коррозионно-стойкие стали и сплавы на основе кобальта и никеля, а также различные титановые сплавы. Универсальный обрабатывающий центр MIKRON UCP 600 Vario Torque, оснащен одной из самых распространенных систем ЧПУ HEIDENHAIN, может быть внедрен в производственный цикл на различных предприятиях, выпускающих авиадвигатели и их комплектующие для нужд авиации и энергетики. На предстоящей выставке «Металлообработка 2010» (Москва, Экспоцентр) данный обрабатывающий центр будет представлен на стенде фирмы «Галика АГ», и в один из дней будет проводиться демонстрация обработки, рассмотренной в статье компрессорной лопатки.