ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ФИНИШНОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ВНЕШНЕГО СЖАТИЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО ГТД

С.А. Болсуновский, В.Д. Вермель, Г.А. Губанов, И.Н. Качарава

sa_bolsunovskiy@mail.ru, vermel@tsagi.ru, glebgubanov@mail.ru, Iraklykacharava@rambler.ru

Центральный аэрогидродинамический институт им. Проф. Жуковского «ЦАГИ», Жуковский, Россия

Аннотация

В модельном производстве ЦАГИ основным технологическим процессом при изготовлении деталей аэродинамических моделей является высокоскоростное фрезерование, обеспечивающее выполнение требований по качеству и срокам изготовления при единичном характере выпуска изделий.

На современном этапе развития высокоскоростной фрезерной обработки основным фактором, ограничивающим производительность обработки, ее точность и качество, являются вибрации системы СПИД (станок – приспособление – инструмент − деталь). Особенно острой становится проблема вибраций при фрезеровании тонких деталей с выраженными продольными и поперечными размерами. В частности, к таким деталям относились лопатки аэродинамических моделей компрессора ГТД, подлежащие изготовлению в модельном производстве. Их характерной особенностью является малая толщина от 5 до 1,2мм относительно продольной оси, от комля до концевого сечения (Рис.1). При получистовой и чистовой обработке с рекомендованной скоростью резания и другими параметрами (ширина и глубина фрезерования, подача на зуб), возникающие вибрации приводят к необратимой порче детали. Характерный пример результата вибраций в процессе фрезерования, показан на рисунке 2а. Возникающие вибрации с значительными амплитудами колебаний обусловлены резонансом между собственными частотами обрабатываемой детали и частотным спектром силы резания, определяемым частотой вращения фрезы и соответствующим воздействием зубьев в ее режущей части на деталь. Подбирая частоту вращения фрезы за пределами резонанса, можно исключить возникновение вибраций.

Содержание

1. Частотное воздействие фрезы на обрабатываемую деталь. 2

2.Определение частоты вращения фрезы при обработке лопатки. 4

Список использованных источников. 9

1. Частотное воздействие фрезы на обрабатываемую деталь

В ЦАГИ разработана методика выбора параметров высокоскоростной фрезерной обработки при изготовлении тонких деталей с использованием расчетных систем PATRAN-NASTRAN и CATIA-ANALYSIS. В расчете определяются собственные частоты и формы колебаний обрабатываемой детали, закрепленной на столе станка. В корпоративном программном обеспечении ЦАГИ рассчитывается циклограмма силы резания и соответствующий ей частотный спектр воздействия на деталь (Рис.3). Рабочая частота вращения фрезы подбирается таким образом, чтобы исключить взаимодействие гармоник спектра силы резания и собственных частот колебаний детали.

Рис.1 – модель аэродинамической лопатки компрессора ГТД

Рис.2

а − циклограмма силы резания при обработке лопатки ГТД на станке с ЧПУ

б − спектр силы резания при обработке лопатки ГТД на станке с ЧПУ Рис.3

Важным условием корректировки рабочей частоты вращения фрезы является визуализация частотного спектра после разложения циклограммы, характеризующей силу резания, в соответствующие компоненты гармонического ряда Фурье. Применительно к обработке рассматриваемой лопатки амплитудно-частотная характеристика спектра для силы резания существенных компонент ряда Фурье показано на рисунке 3б.

Видно, что наиболее существенное воздействие на лопатку − при частоте 370Гц, с экспоненциальным затуханием до 2590Гц.

2.Определение частоты вращения фрезы при обработке лопатки

Начальное значение частоты вращения фрезы определяется из условия резания для конкретного материала и режущих пластин, устанавливаемых на фрезе (материала режущей части для монолитной фрезы).

Для решения задачи в нашей методике выполняется следующая последовательность действий:

Технолог назначает расположение технологических упоров (платиков), используемых для базирования и закрепления обрабатываемой детали (рис.4а). Лопатка разбивается на ряд зон выделяемых по продольному размеру лопатки. В примере выделяется пять зон: L = 0; 50; 100; 168; 190 209мм. Для каждой зоны создается конечно-элементная модель с соответствующими граничными условиями закрепления. Затем выполняется расчет первых пяти форм колебаний лопатки. Их количество определено в результате специального анализа амплитуд колебаний для характерных деталей. Для более высоких форм колебаний – амплитуды существенно малы и не влияют на качество фрезерной обработки. В таблице 1, представлены результаты расчетов собственных частот, для рассматриваемых форм (мод) колебаний.

Этап обработки L [мм]		0	50	100	168	190	209
№ моды	1	641,0	553,0	541,9	597,5	604,2	583,6
	2	1097,8	898,7	872,5	1006,7	940,3	926,3
	3	1527,7	1406,5	1354,1	1259,6	1204,1	1146,3
	4	2255,9	2163,3	2076,6	1741,0	1558,8	1545,1
	5	2638,2	2446,3	2417,1	2136,2	2075,6	1922,0

Таблица 1– значения собственных частот [Гц] колебаний лопатки.

Визуализация форм колебаний является весьма важной для оценки характера колебаний и достаточности, введенных опорных платиков, которая наиболее просто выполняется специалистом по зрительному восприятию строящихся изображений. В частности видно, что колебания являются изгибно-крутильными, а уровень амплитуд, позволяет ограничиться одним платиком, присоединенным к концу лопатки, без зачастую используемого дополнительного промежуточного платика, присоединенного к передней кромке.

Как видно на рисунке 4а по мере обработки расширяется обработанная зона (характерный размер L) и сужается зона с припуском. В результате частотные характеристики лопатки, по мере съема припуска изменяются. Значения резонансных собственных частот для пяти рассматриваемых форм колебаний по длине обработанной

Рис.4