Экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхности напыленного керамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины
В статье рассмотрены закономерности изменения шероховатости напыленного минералокерамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины в зависимости от режимов шлифования и зернистости круга из кубического нитрида бора. Шероховатость поверхности при шлифовании напыленного керамического слоя, сост...
Saved in:
| Published in: | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80939 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхности напыленного керамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины / В. Лебедев, Т. Чумаченко // Проблемы машиностроения. — 2013. — Т. 16, № 5. — С. 3-6. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859540268607340544 |
|---|---|
| author | Лебедев, В. Чумаченко, Т. |
| author_facet | Лебедев, В. Чумаченко, Т. |
| citation_txt | Экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхности напыленного керамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины / В. Лебедев, Т. Чумаченко // Проблемы машиностроения. — 2013. — Т. 16, № 5. — С. 3-6. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы машиностроения |
| description | В статье рассмотрены закономерности изменения шероховатости напыленного минералокерамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины в зависимости от режимов шлифования и зернистости круга из кубического нитрида бора. Шероховатость поверхности при шлифовании напыленного керамического слоя, состоящего из чистого Al2О3 находится в пределах Ra = 0,63…0,32, для модифицированного TiС и С шероховатость поверхности практически не меняется, а модифицированного WC повышается на один разряд.
Розглянуті закономірності зміни шорсткості напиленого мінералокерамічного шару на шийках валів ротора газової турбіни залежно від режимів шліфування і зернистості круга з кубічного нітриду бору. Шорсткість поверхні при шліфуванні напиленого керамічного шару, що складається з чистого Al2О3, знаходиться в межах Ra = 0,63 ... 0,32, для модифікованого TiС і С шорсткість поверхні практично не змінюється, а модифікованого WC – підвищується на один розряд.
The studies, aimed at technological provision of quality and productiveness of grinding of the necks of rotor shafts of gas turbine, sprayed with wear- and heat-resistant mineral-ceramic coating are topical for mechanical engineering.
In the literature, referring to ceramics processing, there are no data on the processing of the sprayed mineral-ceramic layer. The ceramics were processed by wheels only on metal and organic bonds.
According to technical requirements, the necks of the shaft of gas turbine must have low values of surface roughness Ra = 0,63…0,32. This class of roughness at abrasive grinding is reached as a result of additional finishing operations. Therefore, the possibilities of grinding by cubic boron nitride wheels can be applied to the full extent.
The study of regularities of the surface roughness from processing factors allows to manage the process so that steadily maintain the required roughness value.
|
| first_indexed | 2025-11-26T00:09:49Z |
| format | Article |
| fulltext |
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
ISSN 0131–2928. Проблемы машиностроения, 2013, Т. 16, № 5 3
1В. Г. Лебедев, д-р техн. наук
1Т. В. Чумаченко, канд. техн. наук
1Одесский национальный политехниче-
ский университет, Одесса, Украина
e-mail: Chumachenko-1981@mail.ru
Ключові слова: мінералокерамічний
шар, шліфування, знос, шорсткість,
коло з кубічного нітриду бору.
УДК 621.791
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ
ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
НАПЫЛЕННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО
СЛОЯ НА ШЕЙКАХ ВАЛОВ РОТОРА
ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
Анотація. Розглянуті закономірності зміни шорсткості напиленого
мінералокерамічного шару на шийках валів ротора газової турбіни
залежно від режимів шліфування і зернистості круга з кубічного
нітриду бору. Шорсткість поверхні при шліфуванні напиленого ке-
рамічного шару, що складається з чистого Al2О3, знаходиться в
межах Ra = 0,63 ... 0,32, для модифікованого TiС і С шорсткість
поверхні практично не змінюється, а модифікованого WC – підви-
щується на один розряд.
Введение
Современное машиностроение характеризуется повышением мощности машин и механизмов за
счет внедрения новых материалов, высокоэффективных технологических процессов, поэтому для
решения создавшихся проблем в технике альтернативой является получение новых материалов с
наперед заданными свойствами.
Анализ исследований и публикаций
Износостойкие покрытия подвергают в большинстве случаев механической обработке, так как
они наносятся на деталь слоями и изменяют точность её размеров и формы, а также шероховатость
поверхности [1, 2, 3]. Покрытия из тугоплавких соединений имеют высокую твердость и прочность,
что затрудняет их механическую обработку и ограничивает применение. Они не поддаются
обрабатыванию лезвийным инструментом и плохо шлифуются кругами из обычных абразивов [4, 5],
т. е. плазменные покрытия, которые работают в парах трения, требуют тщательную механическую
обработку. При напылении покрытий плазменным методом невозможно точно нанести требуемую
толщину покрытия. Режимные параметры процесса напыления оказывают существенное влияние на
равномерность напыленного слоя, поэтому слой покрытия наносят с учетом последующей
механической обработки. Поверхностный слой покрытия также имеет и незначительные неровности
(волнистость, неодинаковая толщина), высокую шероховатость поверхности. Поэтому после
напыления покрытия производят его финишную обработку, чаще всего применяется шлифование [6,
7, 8, 9, 5]. Припуск на обработку при шлифовании напыленного минералокерамического слоя,
нанесенного на шейки валов ротора газовой турбины (плазменное покрытие), в нашем случае
составляет 0,3 мм. К обработанной поверхности покрытия предъявляются высокие требования по
шероховатости поверхности, точности взаимного расположения поверхностей и т. п.
Применяемые напыляемые покрытия являются совершенно новыми материалами,
отличающимися от исходных компонентов своей историей образования, характером связей и т. д. В
общемашиностроительных нормативах режимов резания [11, 12] отсутствуют рекомендации по
выбору режимов шлифования напыленных керамических покрытий.
Целью проектирования операций шлифования напыленного слоя является выбор
шлифовального круга и режимов обработки исходя из условий максимальной производительности,
экономичности и обеспечения требуемого качества поверхности.
Поэтому исследования, направленные на технологическое обеспечение качества и
производительности обработки шлифованием шеек валов роторов газовых турбин, напыленных
износоустойчивым и жаропрочным минералокерамическим слоем, являются актуальными для
машиностроения. В литературе, посвященной обработке керамики, нет никаких данных по обработке
напыленного слоя из минералокерамики. Сама керамика обрабатывалась кругами только на
металлической и органической связке.
Исследования и результаты
Качественные характеристики, такие, как надежность и долговечность детали, обусловливаются
© В. Г. Лебедев, Т. В. Чумаченко, 2013
mailto:Chumachenko-1981@mail.ru
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
4 ISSN 0131–2928. Проблемы машиностроения, 2013, Т. 16, № 5
рядом факторов, которые формируется в процессе ее обработки. С одной стороны, высокая надеж-
ность и долговечность обеспечиваются точностью обработки, а с другой – физико-механическим со-
стоянием поверхностного слоя, определяемым шероховатостью поверхности, величиной и знаком
остаточных напряжений.
В соответствии с техническими требованиями шейки вала газовой турбины должны иметь низ-
кие значения шероховатости поверхности Ra = 0,63…0,32. Данный класс шероховатости при абра-
зивном шлифовании достигается с большим трудом, в результате чего приходится вводить дополни-
тельные доводочные операции.
Поэтому возможности шлифования кругами из кубического нитрида бора могут быть исполь-
зованы в полном объеме.
Минералокерамические покрытия относятся к ряду твердых поверхностей, поэтому для обра-
ботки в основном необходимо использовать круги из кубического нитрида бора (КНБ). Производи-
тельность процесса шлифования этих покрытий будет ниже, чем при обработке собственно керамики.
Шлифовать минералокерамику без применения смазочно-охлаждающих технологических
средств (СОТС) не желательно во всех случаях, так как снижаются качество обработанной поверхно-
сти и точность обработки из-за увеличения износа круга и высокой контактной температуры. Тонко-
дисперсная стружка при обработке керамики, распыляясь на большое расстояние, осаждается на ме-
таллические части станков и загрязняет воздух шлифовального участка, что нежелательно по сани-
тарно-гигиеническим условиям, затрудняет контроль детали и приводит к износу оборудования.
При выборе между алмазным шлифованием керамики и кругами из КНБ учитывалось следую-
щее:
1. Режущие способности кругов примерно одинаковы.
2. При шлифовании зерна вследствие низкой теплопроводности керамики подвергаются
интенсивному нагреву.
3. Теплостойкость алмазных зерен составляет приблизительно 600 ºС. Выше этой температуры
начинается процесс графитизации алмаза. Теплостойкость зерен из КНБ доходит до 2000 ºС, поэтому
можно утверждать, что износ алмазных кругов будет значительно выше (что доказано практикой).
Поэтому экономически обосновано керамику и соответственно напыленные керамические покрытия
шлифовать кругами из КНБ. Изучение закономерностей шероховатости поверхности от факторов об-
работки может дать возможность так строить процесс, чтобы стабильно поддерживать требуемое
значение шероховатости. Результаты исследований показали (рис. 1), что большое влияние на
шероховатость оказывает зер-
нистость шлифовального кру-
га.
Так, увеличение зерни-
стости шлифовального круга
снижает шероховатость на 2-3
разряда, т. е. практически
снижает ее на класс. Это объ-
ясняется тем, что при увеличе-
нии зернистости круга растут
радиусы закругления зерен,
возрастают силы, действую-
щие на зерно, и увеличивается
величина углубления зерна в
металл.
Режимы обработки также
оказывают большое влияние
на величину шероховатости
(рис. 1).
Это объясняется тем, что при
увеличении скорости враще-
ния круга (рис. 1, а) в съеме
металла принимает участие
большее число режущих зерен,
в результате чего уменьшается
Рис. 1. Экспериментальные значения шероховатости напыленного
керамического (Al2О3) слоя при изменении зернистости шлифо-
вального круга и режимов обработки: а - скорости вращения кру-
га; б - поперечной подач; в - скорости детали; г - глубины резания.
Зернистости: 1 – 400-250, 2 – 250-160, 3 – 160-100. Режимы шли-
фования: 310 / ,попS м ход 53 10t м , 30 / ,kV м с 0,16 / .дV м с
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
сечение стружки, снимаемой зерном из КНБ, уменьшается величина углубления зерна в металл. Уве-
личение поперечной подачи (рис. 1, б) приводит к некоторому снижению величины шероховатости,
так как возрастает площадь пятна контакта круга с металлом и растет число зерен, принимающих
участие в съеме металла.
Чем больше скорость детали (рис. 1, в), тем выше величина шероховатости, что объясняется
увеличением сечения стружки, снимаемой зерном. Это хорошо согласуется с результатами расчетных
и экспериментальных данных величин углубления зерна в металл и единичных сил резания.
Увеличение глубины резания (рис. 1, г) приводит к росту шероховатости поверхности ввиду
возрастания величины углубления зерна в металл.
Математическая обработка экспе-
риментальных данных, полученных с
помощью профилограф-профилометра
TALYSURS 4 фирмы TAYLOR
HOBSON (рис. 2), позволила получить
зависимость шероховатости поверхно-
сти в следующем виде:
0,14 0,18 0,43
0,25 0,55
1, 47
.д з
a
кр
V t N
R
S V
Как показали исследования, при скоро-
сти вращения круга 30 м/с и глубине
резания 0,03 мм величина шероховато-
сти соответствует 8 - 9 а классам. Дово-
дочная операция при глубине резания
0,01 мм соответствует тому же классу и
разряду шероховатости.
Рис. 2. Процесс измерения шероховатости профилограф-
профилометром напыленного керамического слоя после
шлифования кругом из КНБ марки ЛО20100%СМ1К7. Мо-
дель профилограф-профилометра TALYSURS 4 фирмы
TAYLOR HOBSON
При шлифовании напыленных слоев, модифицированных TiС и С, шероховатость поверхности
практически не меняется по сравнению с чистым Al2О3 . Это можно увидеть из таблицы 1.
Таблица 1 – Оптимальные рекомендуемые режимы шлифования напыленных минерало-
керамических слоев кругом из КНБ марки ЛО20100 % СМ1К7 с подачей СОТС закрученной
струей, гарантирующие отсутствие трещин
ISSN 0131–2928. Проблемы машиностроения, 2013, Т. 16, № 5 5
Химический состав напыляемого слоя (%)
100 Al2О3 70 Al2О3 и 30WС 70 Al2О3 и 30Ti С 70 Al2О3 и 30С
Режимы обработки: vкр = 30 м/с; s = 1 мм/об. дет; vд = 0,16 м/с;
h = 1300 мкм; Ra = 0,32; z = 0,3 мм (припуск на обработку)
t z t z t z t z
мкм
Кол.
проходов,
n
25
24
22
20
18
15
12
11
10
8
5*
275
251
229
209
191
176
164
153
143
135
–
50*
25
25
–
–
–
–
–
–
–
–
50
25
–
–
–
–
–
–
–
–
–
30
25
24
22
20
18
16
14
11
10*
–
270
245
221
199
179
161
145
131
120
–
–
30
25
24
24
22
22
17*
–
–
–
–
270
245
221
197
175
153
–
–
–
–
–
Трещины отсутствуют
* = 27
n =
10+27
–
* = 5
n = 5+2
–
* = 12
n = 10+12
–
* = 9
n = 7+9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
* — количество проходов для окончательного снятия припуска; n – общее количество проходов
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
6 ISSN 0131–2928. Проблемы машиностроения, 2013, Т. 16, № 5
Выводы
1. Труднообрабатываемость керамических поверхностей несколько сдерживает ее конструкци-
онное применение, поскольку небольшая толщина напыляемого слоя практически исключает лезвий-
ную обработку и делает возможным обработку этого слоя шлифованием ССМ.
2. Несмотря на довольно многочисленные данные, имеющиеся в литературе по обработке кера-
мических материалов, практически нет сведений по обработке напыленных керамических слоев
шлифованием, у которых структура и физико-механические характеристики несколько отличаются от
классических керамических материалов.
3. Высокая подверженность керамики к шлифовочным трещинам привела к появлению много-
численных рекомендаций по применению СОТС. Однако все рекомендуемые СОТС экологически
вредные. Их применение связано с высокими дополнительными затратами по очистке рабочей зоны
от мелкой взвеси и является весьма вредным для здоровья людей. В литературе недостаточно полно
рассмотрен вопрос использования СОТС сравнительно безопасного и простого химического состава.
4. Методика экспериментального исследования учитывает современный уровень вычислитель-
ной техники, что дает возможность получать достоверные данные разных стадий процесса шлифова-
ния кругами из КНБ.
5. Шероховатость поверхности при шлифовании напыленного керамического слоя, состоящего
из чистого Al2О3, находится в пределах Ra = 0,63…0,32.
6. При шлифовании напыленных слоев, модифицированных TiС и С, шероховатость поверх-
ности практически не меняется по сравнению с чистым Al2О3 (таблица). При шлифовании напылен-
ных слоев, модифицированных WC, шероховатость поверхности повышается на один разряд.
Литература
1. Михайлов, А. А. Обработка деталей с гальваническими покрытиями / А. А. Михайлов. – М.: Машино-
строение, 1987. – 144 с.
2. Переверзев, П. П. Взаимосвязь производительности и точности операций шлифования с интенсивно-
стью затупления кругов из различных абразивных материалов: Автореф. дис. … канд. техн. наук : спец. /
П. П. Переверзев. – Челябинск, 1981. – 17 с.
3. Пилипенко, А. М. Абразивное шлифование деталей цилиндрической формы после плазменного покры-
тия / А. М. Пилипенко, В. Ф. Коробка, В. М. Немец // Сверхтвердые материалы. – 1981. – № 5. – С. 62 - 65.
4. Ахмедов, Р. Б. Аэродинамика закрученной струи / Р. Б. Ахмедов, Т. Б. Балагула, Ф. К. Рашидов. − М.:
Энергия, 1977. − 240 с.
5. Рыжов, М. А. Режимы и методы шлифования цементованных и закаленных зубчатых колес /
М. А. Рыжов, Н. М. Рыжов. – М.: Станки и инструмент, 1966. – 488 с.
6. Казимирчук, А. Ф. Обрабатываемость износостойких покрытий / А. Ф. Казимирчук // Сверхтвердые
материалы. – 1979. – № 2. – С. 51 – 54.
7. Костиков, В. И. Плазменные покрытия / В. И. Костиков, Ю. Ф. Шестерин. – М.: Металлургия, 1988. –
158 с.
8. Опарин, В. М. Исследование процесса шлифования износостойких покрытий на основе карбида тита-
на / В. М. Опарин // Повышение эффективности использования режущих инструментов при обработке авиаци-
онных материалов. – Куйбышев.: Куйбышев. авиац. ин-та, 1983. – С. 121 – 123.
9. Рыкалин, Н. Н. Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов /
Н. Н. Рыкалин, М. Х. Шоршоров, В. В.Кудинов. – М.: Наука, 1973. – С. 187 - 196.
10. Кащук, В. А. Шлифование износостойких покрытий кругами из алмаза и кубического нитрида бора /
В. А. Кащук, Е. М. Чистяков // Синтетические алмазы. – 1974. – Вып. 4 (40). – С. 54 – 56.
11. Лебедев, В. Г. Компонентный состав напыленных керамических слоев и его влияние на трещино-
стойкость при шлифовании / В. Г. Лебедев, Т. В. Чумаченко // Тр. Одес. политехн. ун-та. – 2005. – Вып. 2 (42). –
С. 82 – 84.
12. Мамин, П. Д. Остаточные напряжения после отделочно-упрочняющей обработке деталей машин /
П. Д. Мамин, P. P. Мавлютов, B. C. Куликов // Институт механики (УИЦ РАН). Вестн. УГАТУ, – 2001. –
С. 111 – 117.
Поступила в редакцию 01.10.2013
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80939 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-26T00:09:49Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лебедев, В. Чумаченко, Т. 2015-04-28T16:00:02Z 2015-04-28T16:00:02Z 2013 Экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхности напыленного керамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины / В. Лебедев, Т. Чумаченко // Проблемы машиностроения. — 2013. — Т. 16, № 5. — С. 3-6. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80939 621.791 В статье рассмотрены закономерности изменения шероховатости напыленного минералокерамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины в зависимости от режимов шлифования и зернистости круга из кубического нитрида бора. Шероховатость поверхности при шлифовании напыленного керамического слоя, состоящего из чистого Al2О3 находится в пределах Ra = 0,63…0,32, для модифицированного TiС и С шероховатость поверхности практически не меняется, а модифицированного WC повышается на один разряд. Розглянуті закономірності зміни шорсткості напиленого мінералокерамічного шару на шийках валів ротора газової турбіни залежно від режимів шліфування і зернистості круга з кубічного нітриду бору. Шорсткість поверхні при шліфуванні напиленого керамічного шару, що складається з чистого Al2О3, знаходиться в межах Ra = 0,63 ... 0,32, для модифікованого TiС і С шорсткість поверхні практично не змінюється, а модифікованого WC – підвищується на один розряд. The studies, aimed at technological provision of quality and productiveness of grinding of the necks of rotor shafts of gas turbine, sprayed with wear- and heat-resistant mineral-ceramic coating are topical for mechanical engineering. In the literature, referring to ceramics processing, there are no data on the processing of the sprayed mineral-ceramic layer. The ceramics were processed by wheels only on metal and organic bonds. According to technical requirements, the necks of the shaft of gas turbine must have low values of surface roughness Ra = 0,63…0,32. This class of roughness at abrasive grinding is reached as a result of additional finishing operations. Therefore, the possibilities of grinding by cubic boron nitride wheels can be applied to the full extent. The study of regularities of the surface roughness from processing factors allows to manage the process so that steadily maintain the required roughness value. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Энергетическое машиностроение Экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхности напыленного керамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины Experimental study of the formation of surface roughness of the sprayed ceramic layer on the necks of the rotor shafts of gas turbine Article published earlier |
| spellingShingle | Экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхности напыленного керамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины Лебедев, В. Чумаченко, Т. Энергетическое машиностроение |
| title | Экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхности напыленного керамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины |
| title_alt | Experimental study of the formation of surface roughness of the sprayed ceramic layer on the necks of the rotor shafts of gas turbine |
| title_full | Экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхности напыленного керамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины |
| title_fullStr | Экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхности напыленного керамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины |
| title_full_unstemmed | Экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхности напыленного керамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины |
| title_short | Экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхности напыленного керамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины |
| title_sort | экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхности напыленного керамического слоя на шейках валов ротора газовой турбины |
| topic | Энергетическое машиностроение |
| topic_facet | Энергетическое машиностроение |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80939 |
| work_keys_str_mv | AT lebedevv éksperimentalʹnoeissledovanieformirovaniâšerohovatostipoverhnostinapylennogokeramičeskogosloânašeikahvalovrotoragazovoiturbiny AT čumačenkot éksperimentalʹnoeissledovanieformirovaniâšerohovatostipoverhnostinapylennogokeramičeskogosloânašeikahvalovrotoragazovoiturbiny AT lebedevv experimentalstudyoftheformationofsurfaceroughnessofthesprayedceramiclayeronthenecksoftherotorshaftsofgasturbine AT čumačenkot experimentalstudyoftheformationofsurfaceroughnessofthesprayedceramiclayeronthenecksoftherotorshaftsofgasturbine |