Способ изготовления аэродинамических поверхностей лопаток роторов газотурбинных двигателей на станках с чпу



Способ изготовления аэродинамических поверхностей лопаток роторов газотурбинных двигателей на станках с чпу
Способ изготовления аэродинамических поверхностей лопаток роторов газотурбинных двигателей на станках с чпу
Способ изготовления аэродинамических поверхностей лопаток роторов газотурбинных двигателей на станках с чпу
Способ изготовления аэродинамических поверхностей лопаток роторов газотурбинных двигателей на станках с чпу

 

B23Q3/00 - Съемные устройства для крепления, поддерживания или установки в рабочее положение обрабатываемых изделий или режущих инструментов (рабочие столы или другие детали, например планшайбы, обычно не имеющие встроенных приспособлений для крепления обрабатываемых изделий B23Q 1/00; автоматическое управление и регулирование положения инструмента или обрабатываемого изделия B23Q 15/00; вращающиеся резцедержатели к токарным станкам B23B 3/24, B23B 3/26, бесприводные держатели инструментов B23B 29/00; револьверные головки B23B 29/24; инструменты для закрепления, соединения, разъединения или поддерживания B25B)

Владельцы патента RU 2588757:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при обработке профиля пера рабочих лопаток газотурбинных двигателей на станках с ЧПУ. Способ включает обработку концевой торовой фрезой, которую перемещают эквидистантно обрабатываемой поверхности. Выбирают оптимальную частоту вращения шпинделя, для чего для обрабатываемой лопатки строят расчетную последовательность математических конечно-элементных моделей с моделированием условий закрепления, соответствующих последовательному позонному удалению предварительно заданной величины припуска при обработке. Рассчитывают значения собственных частот обрабатываемой лопатки для каждой зоны. Проводят оценку совпадения расчетных и экспериментальных частотных характеристик обрабатываемой лопатки. Строят графики для визуализации выбора частоты вращения шпинделя. Осуществляют ступенчатую регулировку частоты вращения шпинделя в процессе обработки и регулировку частоты вращения по линейному закону по заданной программе. Исключается резонанс при обработке лопатки. 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано в машиностроении, а именно в авиадвигателестроении, при обработке профиля пера рабочих лопаток газотурбинных двигателей, в частности лопаток компрессора, концевыми фрезами на фрезерных станках с числовым программным управлением (ЧПУ).

При изготовлении аэродинамических моделей лопаток роторов газотурбинных двигателей, предъявляются особые требования к точности изготовления (~0,02-0,05 мм), существенно превышающие требования к конструкциям в составе серийных изделий. Основную сложность представляет изготовление аэродинамических поверхностей лопаток, имеющих малые относительные толщины при выраженном осевом габарите (200-300 мм). Толщина профиля в концевом сечении может достигать 0,7-0,8 мм при длине хорды ~40 мм. При таких толщинах наряду с требованиями по точности изготовления возникает ряд эффектов, существенно осложняющих изготовление таких деталей.

Сила резания при фрезеровании отжимает деталь от инструмента. При малых относительных толщинах, характерных для лопаток вентиляторов, величина отжима может существенно превышать точность обработки, что приведет к недоработке припуска в зонах с малой жесткостью и соответственно большим прогибам. Определяющее влияние на величину прогиба оказывают сила резания, последовательность удаления и величина припуска, повышающего жесткость обрабатываемой поверхности тонкостенных деталей и их элементов. При этом сила резания определяется положением фрезы относительно обрабатываемой поверхности (пространственной ориентацией), направлением движения фрезы относительно поверхности, величинами технологических параметров обработки (подача на зуб, величина припуска на обработку, шага между строчками), которые определяют производительность. При обработке лопаток выбор стратегии обработки и технологических параметров диктуется требованиями к точности изготовления.

Известен способ обработки нежестких деталей (описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1400798, МПК4 B23C 3/00, 1988 г.), преимущественно лопаток газотурбинных двигателей, концевой фрезой, при котором определяют величину снимаемого припуска, ведут обработку за один проход и перемещают фрезу вдоль обрабатываемой поверхности эквидистантно ей. Обработку ведут периферийной частью концевой фрезы. После обработки первой детали определяют погрешность ее изготовления, замеряют величину отжима детали на ширине обработки и корректируют положение фрезы и детали относительно друг друга с учетом величины этого отжима. При данном способе обработки получается невысокая точность обработки при малых скоростях резания. Для уменьшения брака от вибраций оставляют значительный (0,1-0,15 мм) припуск для слесарной доработки, которая увеличивает время изготовления деталей и снижает точность изготовления.

Известен способ изготовления аэродинамических моделей лопаток роторов на станках с ЧПУ (патент РФ №2481177, МПК B23C 3/18, 2013 г.). При данном способе изготовления аэродинамических моделей лопаток роторов достигается высокая точность при высоких скоростях резания, но необходимо изготовить дополнительно с высокой точностью лонжерон, который наклеивают на обработанную поверхность аэродинамической модели лопатки, а затем удаляют наклеенный лонжерон нагревая лопатку до температуры перехода клея в жидкое состояние. Такой способ оправдывает себя при обработке большой партии аэродинамических моделей лопаток роторов, так как затрачивается 70-80 нормочасов на изготовление лонжерона.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение «Способ изготовления аэродинамических поверхностей лопаток роторов газотурбинных двигателей на станках с ЧПУ» по патенту РФ 2500506, МПК B23C 3/18, 2013 г., согласно которому лопатку обрабатывают концевой торовой фрезой, которую перемещают эквидистантно обрабатываемой поверхности, при этом для обрабатываемой лопатки строят последовательность конечно-элементных математических моделей с моделированием условий закрепления лопатки, соответствующих последовательному позонному удалению предварительно заданной величины припуска при обработке, рассчитывают значения собственных частот обрабатываемой лопатки для каждой зоны, для коррекции полученных значений собственных частот дополнительно измеряют собственные частоты обрабатываемой лопатки экспериментально для каждой зоны с использованием системы «возбудитель-датчик», оценивают совпадения расчетных и экспериментальных частотных характеристик обрабатываемой лопатки, объединяют зоны с близкими частотными характеристиками таким образом, чтобы исключить резонанс при взаимодействии со спектральными составляющими силы резания, определяют рабочую частоту вращения шпинделя, выбранную частоту используют в управляющей программе обработки лопаток для станка с ЧПУ.

Основным недостатком рассматриваемого технического решения является то, что при значительном изменении собственных частот колебаний обрабатываемой заготовки оказывается невозможным выбрать режим обработки, исключающий возникновение вибраций для всей детали. В этом случае для определенных участков (по длине лопатки) резонансные вибрации возникают при любой выбранной частоте вращения шпинделя и соответственно частоте воздействия силы резания. Вибрации при обработке деталей с малой относительной толщиной приводят к возникновению глубоких рисок на поверхности, отжиму обрабатываемой детали от инструмента и, как следствие, к браку.

Задачей предлагаемого изобретения является изготовление аэродинамических поверхностей лопаток роторов газотурбинных двигателей, имеющих малые относительные толщины при выраженном осевом габарите и максимально возможное сокращение сроков их изготовления.

Техническим результатом является исключение резонанса между частотами колебаний фрезы, воздействующих на обрабатываемую поверхность, и собственными частотами обрабатываемой лопатки.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в способе обработки профиля пера лопатки ротора газотурбинного двигателя на станках с ЧПУ, включающем обработку аэродинамической поверхности лопатки концевой торовой фрезой, перемещаемой эквидистантно обрабатываемой поверхности и выбор оптимальной частоты вращения шпинделя для обрабатываемой лопатки путем построения расчетной последовательности математических конечно-элементных моделей с моделированием условий закрепления обрабатываемой лопатки, соответствующих последовательному позонному удалению предварительно заданной величины припуска при обработке, расчета значения собственных частот обрабатываемой лопатки для каждой зоны и оценки совпадения расчетных и экспериментальных частотных характеристик обрабатываемой лопатки, строят графики для визуализации выбора частоты вращения шпинделя, определяемой частотой импульсного воздействия зубьев торовой фрезы на заготовку, применяют ступенчатую регулировку частоты вращения шпинделя в процессе обработки, далее регулировку частоты вращения выполняют непрерывно по линейному закону, участок выполнения заданной программы из нескольких строчек определяется совокупностью локальных перемещений торовой фрезы, а размер участка выбирают из условия отсутствия пересечений частот спектра сил резания, воздействующих на обрабатываемую лопатку, и собственных частот обрабатываемой лопатки.

- выполняют регулировку частоты вращения непрерывно по линейному закону при отработке участка программы из нескольких строчек - локальных перемещений инструмента по программе;

- выбирают размер участка перемещений торовой фрезы с изменяемой частотой по линейному закону из условия отсутствия пересечений частот спектра силы резания, определяемых частотами вращения шпинделя, воздействующими на обрабатываемую поверхность, и собственными частотами обрабатываемой лопатки при плавном изменении частоты вращения шпинделя.

Частоты импульсного воздействия зубьев фрезы на заготовку определяются на основе спектрального разложения силы резания. На фиг. 2 показано изменение силы резания в направлении нормали к поверхности обрабатываемой заготовки. Сила отрицательна, так как фреза отжимает заготовку. Периодический сигнал сил резания раскладывается в спектр с использованием разложения Фурье и может быть представлен в виде частотных гармоник (фиг. 3) с заданной амплитудой и кратными частотами. Наибольшую амплитуду имеет первая гармоника, для остальных гармоник - их амплитуда уменьшается с увеличением частоты. Частотные гармоники воздействуют на заготовку и вызывают вибрации, при этом, чем больше амплитуда гармоники в спектре, тем интенсивнее вызываемые ею вибрации.

На графике, приведенном на фиг. 4, показаны условия, при которых невозможно выбрать оптимальную постоянную частоту вращения шпинделя, обеспечивающую исключение резонанса между частотами колебаний фрезы, воздействующих на обрабатываемую поверхность (кратные частоты f возб. на фиг. 4, 5, 6), и собственными частотами обрабатываемой лопатки, закрепленной в приспособлении, см. фиг. 1 (форма 1, форма 2 на фиг. 4, 5, 6), так как отсутствуют частотные окна для выбора режима обработки оптимальной постоянной частоты вращения шпинделя. Крестами на графике обозначены частоты с возможным возникновением явлений резонанса. Поэтому производят дополнительные расчеты и коррекцию частоты вращения шпинделя на нескольких участках, в результате получают, что для каждого из участков возможно подобрать соответствующий режим обработки, исключающий резонанс (фиг. 5). Изменение частоты вращения между участками соответствует скачкообразному изменению частот спектра возбуждения вибраций на диаграмме. Изменения режимов обработки соответствуют ступенькам на пунктирных линиях, определяющих частотный спектр силы резания. Недостатком в этом случае является образование «ступеньки» на поверхности лопатки из-за резкого изменения частоты вращения шпинделя и соответственно скорости резания.

На фиг. 6 показано как регулировка частоты вращения может быть выполнена непрерывно с изменением частоты вращения по линейному закону при отработке участка программы из нескольких строчек (строчка - совокупность локальных перемещений инструмента, выполняемых по заложенной программе). Современные обрабатывающие центры с ЧПУ и средства программирования обработки позволяют выполнять регулировку режимов обработки для каждой группы локальных перемещений, заложенных в программу обработки изделия в отдельности. Размер участка программы с изменением частоты вращения по линейному закону определяют из условия, что он с одной стороны должен быть достаточно большим, чтобы уйти от следа на поверхности, оставляемого при ступенчатом изменении частоты вращения, с другой - ограничивается отсутствием пересечений частотного спектра и собственных частот деталей при плавном изменении частоты. Из графика фиг. 6 видно, что для исключения резонанса между частотами вращения шпинделя, определяемыми изменением частот спектра силы резания, воздействующими на обрабатываемую поверхность, и собственными частотами обрабатываемой лопатки, выбирают частоты вращения шпинделя лежащие на графике выше второй формы собственных частот обрабатываемой лопатки.

Поскольку решением задачи и техническим результатом изобретения является изготовление аэродинамических поверхностей лопаток роторов газотурбинных двигателей, имеющих малые относительные толщины при выраженном осевом габарите и максимально возможное сокращение сроков их изготовления, то найденные оптимальные частоты вращения шпинделя станка, исключающие явление резонанса, позволяют решить эту задачу. Данный метод был успешно применен к изготовлению аэродинамических моделей лопаток роторов газотурбинных двигателей.

Способ обработки профиля пера лопатки ротора газотурбинного двигателя на станках с ЧПУ, включающий обработку аэродинамической поверхности лопатки концевой торовой фрезой, перемещаемой эквидистантно обрабатываемой поверхности, и выбор оптимальной частоты вращения шпинделя для обрабатываемой лопатки путем построения расчетной последовательности математических конечно-элементных моделей с моделированием условий закрепления обрабатываемой лопатки, соответствующих последовательному позонному удалению предварительно заданной величины припуска при обработке, расчета значения собственных частот обрабатываемой лопатки для каждой зоны и оценки совпадения расчетных и экспериментальных частотных характеристик обрабатываемой лопатки, отличающийся тем, что строят графики для визуализации выбора частоты вращения шпинделя, определяемой частотой импульсного воздействия зубьев торовой фрезы на заготовку, при этом в процессе обработки осуществляют ступенчатую регулировку частоты вращения шпинделя и плавную по линейному закону регулировку частоты вращения шпинделя на участке перемещения торовой фрезы, размер которого выбирают из условия отсутствия пересечения частот спектра сил резания, определяемых частотами вращения шпинделя, и собственных частот обрабатываемой лопатки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве технологической оснастки при обработке тонкостенных нежестких деталей. Виброгаситель закрепляется на тонкостенной детали при её фрезеровании и содержит корпус, заполненный вязкой средой.

Изобретение относится к области автоматизации технологических процессов точной механической обработки тонкостенных деталей, подверженных механической деформации в процессе обработки.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для держателей инструментов, в частности расточных головок, зажимных патронов или оправок фрез. Державка содержит демпфирующее средство в виде удлиненного тела, которое расположено в установочном теле, соединенном одним концом с телом держателя инструмента и имеющем на своем другом конце концевой фитинг для установки инструмента.

Изобретение относится к станкостроению, а именно к оснастке для металлорежущих станков, и может быть использовано для установки и крепления на металлорежущих станках нежестких крупногабаритных заготовок, например роторных дисков газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области бурения грунта или горных пород, добычи нефти, газа, а именно к способам изготовления резьбовых муфт для обсадных и насосно-компрессорных труб.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при обработке профиля пера рабочих лопаток газотурбинных двигателей. Способ основан на выборе безопасной частоты вращения шпинделя, обеспечивающей исключение резонанса между частотами колебаний фрезы, воздействующих на обрабатываемую поверхность, и собственными частотами обрабатываемой лопатки, которую закладывают в управляющие программы обработки.

Изобретение относится к приспособлениям для крепления-зажима деталей, более конкретно к способам и устройствам для базирования сложнопрофильных нежестких деталей на многокоординатных станках, которое может быть использовано в авиакосмической и других отраслях промышленности.

Группа изобретений относится к машиностроению, в частности к аэростатическим направляющим металлорежущих станков. Круговая аэростатическая направляющая для металлорежущих станков содержит микроканавки с подводящим воздух соплом, к которому подводится воздух под давлением.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиадвигателестроении при обработке профиля пера рабочих лопаток газотурбинных двигателей, в частности аэродинамических моделей лопаток роторов газотурбинных двигателей, имеющих малую толщину и осевые габариты 200-300 мм.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении диафрагмы (1) внутреннего корпуса модуля низкого или среднего давления паровой турбины.

Группа изобретений относится к машиностроению и может быть испоьзована при фрезеровании изделий с врезной подачей. Режущая головка содержит поверхность основания, боковую область, соединенную с поверхностью основания, верхнюю область, соединенную с боковой областью, и верхние ножи, расположенные на верхней области и имеющие режущие кромки, предназначенные для контакта с изделием для удаления материала и проходящие от центральной точки верхней области к периферии верхней области и расположенные под углом относительно базовой плоскости, приблизительно перпендикулярной указанной оси.

Изобретение относится к изготовлению моноблочного лопаточного диска путем его резания абразивной струей. Осуществляют непрерывное вырезание детали, проходящей через всю толщину блока материала в форме диска, с помощью эжекционной головки, расположенной напротив первой наружной поверхности блока.

Изобретение относится к способу производства моноблочного лопаточного диска. Осуществляют вырезание абразивной водяной струей блока материала, имеющего дисковидную форму, выполняемое для удаления материала из блока на уровне пространств между лопатками для формирования заготовок лопаток, проходящих радиально от ступицы.

Изобретение относится к коллектору вентилятора и способу его изготовлении. С помощью лазера осуществляют раскрой обечаек, фланцев в виде сегмента окружности, соединительных фланцев и стоек в виде ребер жесткости.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при обработке профиля пера рабочих лопаток газотурбинных двигателей. Способ основан на выборе безопасной частоты вращения шпинделя, обеспечивающей исключение резонанса между частотами колебаний фрезы, воздействующих на обрабатываемую поверхность, и собственными частотами обрабатываемой лопатки, которую закладывают в управляющие программы обработки.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при производстве лопаток газотурбинных двигателей. Способ включает фрезерование пера лопатки на пятикоординатном станке с числовым программным управлением.

Изобретение относится к изготовлению лопаток для газотурбинного двигателя. В способе изготавливают лопатки из алюминиевого сплава для газотурбинных двигателей путем выполнения каналов в заготовке лопатки, размещения в каналах вставок из медного сплава, осуществления ковки заготовки и последующего удаления вставок химическим растворением.

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано при изготовлении центробежных лопастных насосов с рабочим колесом, преимущественно имеющим наружный диаметр не более 400 мм и сложную пространственную форму межлопастных каналов.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиадвигателестроении при обработке профиля пера рабочих лопаток газотурбинных двигателей, в частности аэродинамических моделей лопаток роторов газотурбинных двигателей, имеющих малую толщину и осевые габариты 200-300 мм.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при обработке криволинейных поверхностей пера лопаток газотурбинных двигателей. Способ включает использование сферической фрезы, содержащей торцевые зубья, имеющие притупленные режущие кромки на перемычке с перекрытием ими оси вращения фрезы, которую устанавливают с расположением оси вращения по нормали в каждой точке контакта с обрабатываемой поверхностью.
Наверх