Investigación sobre el proceso de torneado de un anillo de pared delgada en forma de L fabricado con superaleación a base de níquel: proporciona soluciones para tuberías

El anillo de paredes delgadas en forma de L de una cámara de combustión de turbina de gas es una pieza de paredes delgadas hecha de un material de aleación de alta temperatura, que tiene la doble característica de materiales difíciles de mecanizar y estructuras difíciles de mecanizar. Se analizan detalladamente sus características estructurales y dificultades de procesamiento. Cuando se analizan los problemas técnicos del anillo de paredes delgadas en el procesamiento de torneado, tales como: B. ligera deformación y dificultad para garantizar la precisión de las piezas debido a la influencia de la fuerza de corte, la fuerza de sujeción, el calor de corte y la tensión residual, el flujo del torneado Se presenta el proceso, la selección de herramientas, el esquema de sujeción y el esquema de selección de parámetros de corte de finos con anillo de paredes en forma de L de una cámara de combustión de turbina de gas. Se controla la deformación de las piezas y se garantiza la precisión de forma y posición. Finalmente, se proporciona el esquema del proceso de procesamiento por lotes. Introducción y resumen del proceso de torneado de un anillo de paredes delgadas en forma de L de un quemador de turbina de gas y sirve como referencia para piezas de paredes delgadas fabricadas con otros materiales difíciles de mecanizar.

0. Prefacio

El anillo de pared delgada en forma de L de la cámara de combustión de la turbina de gas está hecho de aleación Hastelloy. La aleación Hastelloy es una superaleación a base de níquel con muy bajo contenido de carbono y silicio. Tiene alta resistencia, tenacidad, resistencia a la corrosión a altas temperaturas y altas propiedades mecánicas a altas temperaturas. La aleación Hastelloy se usa ampliamente en entornos de trabajo de alta temperatura, alta presión y corrosión, como partes de turbinas de gas a alta temperatura. Sin embargo, la aleación Hastelloy tiene las características de fácil endurecimiento durante el procesamiento y baja conductividad térmica, y la tensión interna durante el procesamiento es grande. La deformación ocurre fácilmente, lo que resulta en defectos como tamaño de característica fuera de tolerancia.
Deformación rotacional de la aleación Hastelloy Las piezas de anillos de paredes delgadas son un problema difícil en el procesamiento de torneado, y el torneado de piezas de anillos de paredes delgadas hechas de aleaciones de alta temperatura es aún más difícil. Para resolver los problemas de procesamiento difícil y fácil deformación de los materiales de aleación de Hastelloy y las piezas de anillos de paredes delgadas en el proceso de corte, muchos científicos han investigado exhaustivamente su mecanismo de corte y tecnología de procesamiento. Shi Yusheng propuso un esquema de selección de una herramienta de torneado de carburo y material de perforación para el procesamiento de aleaciones de Hastelloy, y proporcionó las referencias de ángulos geométricos de la herramienta de torneado y sus parámetros de corte. Zhang Yufeng utiliza como objeto de investigación una sola pieza de anillo de paredes delgadas hecha de acero de alta resistencia 30CrMnSiA. Al optimizar los parámetros del proceso y mejorar los dispositivos, se resuelve eficazmente el problema de la deformación rotacional de las piezas anulares de paredes delgadas. Sol y cols. investigó el método para controlar la deformación rotacional de piezas anulares de paredes delgadas. Tomando como ejemplo el anillo exterior del tubo de llama de un motor de avión, se propuso un método de giro de capas escalonadas para reducir la deformación rotacional de la pieza. Yang Zhenhua desarrolló una herramienta de sujeción especial para girar piezas en forma de anillo de paredes delgadas. La ranura de proceso del mandril de cuatro mordazas se utiliza para instalar el dispositivo, y se adopta el método de sujeción de posicionamiento de los anillos interior y exterior para reducir la deformación de la pieza de trabajo. El anillo de paredes delgadas en forma de L de la cámara de combustión de la turbina de gas estudiada en este trabajo está hecho de Hastelloy X, que tiene la doble característica de materiales difíciles de mecanizar y estructuras anulares de paredes delgadas difíciles de mecanizar.

1. Características de las piezas y dificultades de procesamiento.

1.1 Análisis estructural

La estructura de un anillo de paredes delgadas en forma de L es una parte típica de un anillo de paredes delgadas. Como se muestra en la Figura 1, las dimensiones de cada pieza están sujetas a requisitos de alta tolerancia. El orificio interior Φ175 ^+0,05 ₀ mm y el espesor del cubo 8 mm ± 0,02 mm son los más difíciles de controlar. La verticalidad de la superficie del extremo izquierdo con respecto a la referencia del orificio interior A es de 0,015 mm, el espesor de la pared del extremo derecho es de sólo 5 mm, la relación diámetro-espesor es 37 y la rugosidad de la superficie de mecanizado principal es menor que Ra1. 6. Con una relación diámetro-espesor tan grande, es muy difícil garantizar tantas tolerancias dimensionales, geométricas y rugosidad superficial.

Fig.1 Anillo de paredes delgadas en forma de L

1.2 Análisis de propiedades de materiales.

El material del anillo de pared delgada en forma de L es Hastelloy X, una aleación de níquel. Tiene una excelente resistencia a la corrosión a altas temperaturas y es adecuado para la producción de componentes de turbinas de gas a altas temperaturas. Su resistencia a la tracción es de 690 MPa, el límite elástico es de 0,4, la plasticidad es excelente y es fácil que el cuchillo se atasque durante el procesamiento. La conductividad térmica del material es 1/4 de la del acero común. La temperatura de la zona de corte es elevada y la herramienta se desgasta con facilidad. En resumen, el material es muy difícil de procesar. La composición química se enumera en la Tabla 1, las propiedades físicas en la Tabla 2 y las propiedades mecánicas en la Tabla 3.
Tabla 1 Componentes químicos de Hastelloy X (%)

Tabla 2 Propiedades físicas de Hastelloy

Tabla 3 Propiedades mecánicas de Hastelloy X (propiedades mecánicas mínimas a 20 °C)

1.3 Dificultades de procesamiento
Del análisis anterior, el proceso de torneado del anillo de pared delgada en forma de L trae principalmente las siguientes dificultades:

• (1) La conductividad térmica del material de aleación Hastelloy es baja, la temperatura en el área de corte es alta, la punta de la herramienta de torneado es fácil de quemar y la precisión después del cambio de herramienta es difícil de garantizar.
• (2) La fuerza de corte en el proceso de corte es grande. La fuerza de corte de la unidad es de 2 a 2,5 veces la fuerza de corte del acero 45#. Las piezas de paredes delgadas se deforman fácilmente, la herramienta se desgasta rápidamente y no es fácil garantizar la precisión del mecanizado.
• (3) Fuerte endurecimiento por trabajo, mayor resistencia al corte, desgaste más rápido de la herramienta.
• (4) El límite elástico del material es 0,4, la plasticidad es fuerte y el desgaste de la unión es fácil de producir en el proceso de corte.
• (5) La relación diámetro-espesor de la pieza alcanza 37 y la rigidez estructural es extremadamente débil. Debido a la influencia de la fuerza de sujeción, la fuerza de corte y el calor de corte, es fácil que se produzcan deformaciones y vibraciones, y los requisitos de precisión de tamaño y forma no se pueden cumplir fácilmente.
• (6) Las piezas tienen alta precisión dimensional y de forma. La superficie del extremo izquierdo de la pieza es 0,015 mm perpendicular a la referencia A del orificio interior. Es necesario mecanizar el orificio de referencia interior y la superficie del extremo izquierdo en la misma abrazadera para garantizar el requisito de escuadra. Sin embargo, debido a la deformación del orificio interior y la distorsión del paso de 8 mm ± 0,02 mm, la cuadratura está fuera de tolerancia.
• (7) A su vez, es necesario optimizar la tecnología de procesamiento, hacer que el método de procesamiento y sujeción sea razonable, optimizar la herramienta de corte y los parámetros de corte, reducir el calor de corte, eliminar la vibración rotacional y lograr el control de la deformación del corte.

2. Diagrama del proceso de torneado

2.1 Diseño de dispositivo especial

El proceso de mecanizado y el esquema de sujeción son muy importantes para evitar deformaciones de las piezas. Debido a la estructura especial de las piezas, es necesario diseñar un dispositivo especial. El dispositivo especial no sólo debe garantizar la precisión de las piezas, sino también evitar la deformación de las piezas debido a la sujeción y el mecanizado, simplificando al mismo tiempo la operación. El esquema de diseño específico es el siguiente:
(1) El dispositivo especial utiliza el método de sujeción axial para transportar la fuerza de sujeción en la dirección de la rigidez de la pieza grande y reducir la deformación de sujeción de la pieza. El dispositivo de las piezas se muestra en la Fig.

Fig. 2: Representación esquemática de la fijación de la pieza.
(2) El troquel del dispositivo instala el anillo de pared delgada en forma de L. La cara de posicionamiento y el círculo de posicionamiento exterior cooperan con la cara izquierda y el orificio interior del anillo de pared delgada en forma de L para determinar la posición del anillo de pared delgada en forma de L. -anillo de pared en la abrazadera. El círculo de posicionamiento exterior y el orificio interior del anillo de pared delgada en forma de L cuentan con ajuste de holgura, y la holgura de ajuste debe ser de 0,02 mm a 0,04 mm, lo que puede garantizar eficazmente la coaxialidad de las piezas y permitir que las piezas se carguen. y se descarga suavemente, si el orificio interior se contrae ligeramente después de aplicar fuerza.
(3) Cuando se usa, el mandril de torno sujeta el troquel de sujeción para fijar la cara del extremo de posicionamiento y el círculo exterior de posicionamiento, asegurando que la cara del extremo de posicionamiento sea perpendicular al eje del husillo del torno y que el eje del posicionamiento del círculo exterior sea consistente. con el eje del husillo del torno. El diseño es útil para garantizar la precisión del posicionamiento de las piezas.
(4) El orificio cónico en la superficie del extremo derecho de la placa de presión se ajusta con la punta superior en un orificio cónico de 60° para garantizar que el eje del orificio cónico central sea perpendicular a la superficie del extremo de la placa de presión y coincida con el eje de la placa de presión. Se utiliza para presionar axialmente la superficie del extremo derecho de un anillo de pared delgada en forma de L, cambiar el punto de aplicación de fuerza, forzar los extremos izquierdo y derecho de un anillo de pared delgada en forma de L, garantizar que la posición en forma de L El anillo de paredes delgadas del dispositivo se fija durante el giro y previene eficazmente la deformación por sujeción de piezas de paredes delgadas.
(5) Múltiples orificios pasantes están dispuestos uniformemente en la matriz del dispositivo y la placa de presión para reducir la masa y la inercia rotacional durante la rotación, lo que conduce a una rotación estable. El orificio pasante también se utiliza como abrazadera durante el proceso de carga y descarga de la plancha de impresión para evitar caídas durante el proceso de carga y descarga de la plancha de impresión.

2.2 Esquema de optimización para herramientas de torneado y parámetros de corte.

Para reducir la fuerza de corte en el proceso de mecanizado y así reducir la cantidad de deformación, teniendo en cuenta el costo y la eficiencia del procesamiento, el análisis teórico y una gran cantidad de pruebas de corte determinan la selección de herramientas de corte:

• (1) En torneado en desbaste, se selecciona la hoja tipo S20 con gran ángulo de ataque y gran ángulo posterior, que es adecuada para tornear aleaciones de alta temperatura. El radio de la punta de la herramienta es R0,8 mm, p.e. B. Marca WALTER, WNMG160608 WSM20S, que puede mejorar la vida útil de la herramienta y reducir la fuerza de corte y el calor de corte. Se puede utilizar para rotar la cara del extremo, el círculo exterior y el orificio interior y reducir la frecuencia de cambio de herramienta para mejorar la eficiencia del mecanizado.
• (2) Para reducir aún más la fuerza de corte y evitar la vibración durante el acabado, se selecciona un taladro giratorio WSM20S normal con un radio de arco de punta pequeño de R0,2 mm – R0,4 mm y se ajusta el ángulo entre el corte del filo y la superficie del extremo. durante la instalación, la herramienta se ajusta a 15 ° -20 °, lo que puede evitar eficazmente que el área de contacto excesiva entre el filo y la cara del extremo afecte la calidad de la pieza de trabajo al terminar la cara del extremo del paso de 8 mm ± 0,02 mm . El orificio interior del torneado de acabado debería aumentar el diámetro de la barra de herramientas y mejorar la rigidez de la barra de herramientas. El ángulo más pequeño de la punta de la herramienta es beneficioso para reducir el área de contacto entre el filo auxiliar y la pieza de trabajo, evitando eficazmente la vibración de corte y mejorando la calidad de la pieza de trabajo.

Al procesar materiales de aleación Hastelloy, debido a las propiedades del material, los parámetros de corte deben reducirse y controlarse, debe aumentarse el número de cortes y la velocidad de corte debe ser uniforme para reducir la fuerza de corte y el calor de corte. La influencia de la velocidad de corte sobre la fuerza de corte cambia constantemente. Para piezas de aleación Hastelloy de paredes delgadas, una velocidad de corte más baja puede reducir el calor de corte y prolongar la vida útil de la herramienta. Los parámetros de corte específicos recomendados son los siguientes:

• (1) Profundidad de corte: _{la P} de desbaste es de 2 mm, el acabado es de 0,15 mm;
• (2) Velocidad de corte: Desbaste V _C Elija 60 m/min, para acabado elija 75 m/min;
• (3) Velocidad de avance: Desbaste seleccionable 0,25 mm/rev, Acabado seleccionable 0,1 mm/rev.

Para reducir la deformación térmica de las piezas, se requiere refrigeración y lubricación adecuadas durante el torneado. Como refrigerante se debe elegir, por ejemplo, un fluido de corte con un alto poder calorífico específico, baja viscosidad y buena fluidez. B. Fluido de corte emulsionado a base de agua, que puede absorber una gran cantidad de calor, reduciendo la temperatura de corte y la deformación térmica de los anillos de paredes delgadas en forma de L.

2.3 Esquema de corte

2.3.1 Organización del proceso de torneado

Tras un análisis exhaustivo de la estructura y material de las piezas, las piezas se dividen en mecanizado en desbaste, mecanizado semiacabado y mecanizado final. La pieza en bruto se corta con gas. Para proteger la precisión del torno CNC, se utiliza un mecanizado general de desbaste de automóviles para eliminar la capa de corte con gas y se deja un margen de mecanizado de 2 mm en cada superficie. Para garantizar que la superficie de sujeción de la pieza de trabajo sea lo suficientemente rígida al completar el orificio interior, el círculo exterior de la referencia del proceso de diseño se usa para aumentar el espesor de la superficie de sujeción de la pieza de trabajo, y la sujeción de garra suave se usa para aumentar el área de contacto de sujeción y reducir parte de la deformación de sujeción. Organizar el envejecimiento a temperatura ambiente durante al menos 48 horas después del mecanizado en desbaste es principalmente para aliviar completamente la tensión residual generada por la pieza de trabajo después de calentar la fuerza del mecanizado en desbaste y para evitar la liberación de tensión mediante el procesamiento continuo en el producto terminado, lo que resulta en deformación. de la pieza y una tolerancia dimensional. El mecanizado de semiacabado en torno CNC garantiza que el margen de mecanizado de cada superficie de las piezas sea consistente, especialmente en el procesamiento por lotes.
Al terminar, el círculo exterior del acabado se utiliza como punto de referencia para posicionar y girar para fijar el orificio interior. Al mismo tiempo, el acabado en el extremo pequeño de la pieza se utiliza como límite de la longitud total y acabado del agujero interno. El chaflán del pequeño orificio interior se procesa con antelación para evitar terminar el orificio interior. A continuación, el orificio interior se gira y se tensa varias veces, lo que provoca la deformación de la pieza. La cara del extremo izquierdo y el orificio interior están mecanizados por el círculo de referencia exterior de la mordaza de sujeción en forma de abanico para evitar que las piezas se deformen por la fuerza de sujeción. Cuando se utilizan el orificio interior y la cara del extremo izquierdo como posicionamiento de referencia, para evitar la sujeción y evitar la deformación de las piezas debido a la fuerza de corte, se utiliza el dispositivo especial para posicionamiento y sujeción (Figura 2). Esto puede prevenir eficazmente la deformación del orificio interior y la distorsión de los escalones de las piezas, y garantizar la precisión dimensional y la coaxialidad del anillo de paredes delgadas. Al mismo tiempo, hay más espacio para terminar este accesorio, por lo que es necesario reducir la cantidad de corte, la fuerza de corte y el calor de corte generado durante el procesamiento.
De acuerdo con el análisis de la tecnología de procesamiento anterior, teniendo como objetivo las características estructurales y las dificultades de procesamiento del anillo de paredes delgadas en forma de L, el flujo del proceso de torneado que se muestra en la Figura 3 se formula de manera integral.

Fig.3 Proceso de torneado

2.3.2 Esquema de mecanizado del agujero interior y del extremo izquierdo

En el mecanizado convencional, el mecanizado en desbaste es generalmente un margen de mecanizado uniforme. Sin embargo, la parte de fijación del orificio interior del anillo de soporte en forma de L es muy delgada y rígida, y se deforma fácilmente con la fuerza. Por lo tanto, en la etapa de mecanizado de desbaste, el círculo de referencia exterior (Fig. 4) está diseñado para aumentar el espesor de la pieza de sujeción para garantizar una rigidez suficiente. El agujero interior se mecaniza mediante un único círculo de referencia exterior. Después de muchas pruebas y ajustes, la deformación del agujero interior siempre está entre 0,02 mm y 0,03 mm. En vista de esta situación, la rigidez de sujeción de las piezas se mejora aún más con el uso de la garra blanda del tipo de vaina límite de arco grande y en forma de abanico (Fig. 5) y la vaina de resorte (Fig. 6).
Al mismo tiempo, para garantizar que la parte de sujeción de cada parte sea compatible con la superficie del arco de la pinza blanda o el orificio interior de la funda del resorte durante el procesamiento por lotes, el círculo exterior de la referencia de la base del proceso se establece en Φ190. ^{+0,10 mm} _, y el orificio interior de la gran garra suave en forma de arco y abanico y la funda del resorte se ajustan a Φ1900 _{​​​​-0,1 mm} . La longitud se ajusta en 20 mm para garantizar una superficie de contacto de sujeción suficientemente grande al sujetar la pieza. La fuerza de sujeción se distribuye uniformemente sobre toda la superficie del cilindro circular de referencia exterior del proceso, de modo que se puede limitar el orificio interior de la gran garra suave en forma de abanico o de la funda de resorte. El procesamiento por lotes y el control efectivo de la deformación del orificio interior y la superficie del extremo izquierdo de la pieza están dentro de 0,01 mm.

Figura 4

Figura 5

Figura 6

2.3.3 Esquema de procesamiento de espesor y círculo exterior derecho

Al girar el extremo derecho de la pieza de trabajo, el paso de 8 mm ± 0,02 mm se distorsiona ligeramente por la influencia de la fuerza de corte y la fuerza de sujeción, y la precisión es muy difícil de garantizar, lo que destruiría la perpendicularidad de 0,015 mm. Después de muchos estudios experimentales, se diseñó y fabricó un dispositivo especial. Como se muestra en la Figura 2, el mandril del torno se utiliza para fijar la matriz del accesorio y el indicador de cuadrante se corrige dentro de 0,005 mm para garantizar que la cara del extremo de posicionamiento de la matriz del accesorio sea perpendicular al eje del husillo del torno y el eje del círculo de posicionamiento exterior es consistente con el eje del husillo del torno. El anillo de pared delgada en forma de L se instala en el círculo exterior del posicionamiento de abrazadera específico, y la superficie del extremo izquierdo del anillo de pared delgada en forma de L está equipada con la cara del extremo de posicionamiento del troquel de sujeción para limitar la posición axial del parte.
El círculo de posicionamiento exterior de la placa de presión se carga en el orificio interior del anillo de pared delgada en forma de L, y el orificio cónico de 60 ° de la placa de presión se sujeta mediante la parte superior del contrapunto del torno para mover la placa de presión. presión axialmente. La cara del extremo de posicionamiento de la placa de presión está estrechamente conectada a la cara del extremo derecho del anillo de pared delgada en forma de L, y el anillo de pared delgada en forma de L está comprimido axialmente. Este esquema de sujeción cambia el punto de aplicación y la dirección de la fuerza, reduciendo efectivamente la deformación por mecanizado del anillo de paredes delgadas en forma de L.

3. Conclusión

Basado en el estudio de numerosas publicaciones científicas, este artículo examina el anillo de pared delgada en forma de L como objeto de investigación, que tiene las dos características difíciles de mecanizar del material de aleación Hastelloy y del anillo de pared delgada. Mediante el desarrollo de un esquema de sujeción especial para piezas, el ajuste y optimización de herramientas de torneado y parámetros de corte, la disposición científica del flujo del proceso de torneado y un esquema de procesamiento específico, el control de la deformación en el torneado de anillos en forma de L de paredes delgadas con Se realiza el material Hastelloy X y se garantiza la calidad de procesamiento de las piezas. A través de la investigación realizada en este artículo se llegó a las siguientes conclusiones:

• (1) Para el acabado se utiliza el esquema de fijación descrito en este documento. La superficie del extremo rígido de la pieza se presiona axialmente y el punto de aplicación de fuerza se cambia para forzar los extremos izquierdo y derecho de la pieza, evitando efectivamente la deformación por sujeción de la pieza de paredes delgadas. El esquema de diseño del dispositivo se puede aplicar al torneado de piezas similares de paredes delgadas.
• (2) Al mecanizar piezas de paredes delgadas que se pueden fabricar fácilmente con materiales endurecibles, se puede organizar el envejecimiento a temperatura ambiente después del mecanizado en desbaste y el mecanizado de semiacabado para aliviar las tensiones residuales generadas durante el mecanizado de piezas, lo que ayuda a garantizar un mecanizado continuo a partir de piezas delgadas. -piezas amuradas al producto terminado. La liberación de tensiones provoca la deformación de las piezas y la tolerancia dimensional. Esta secuencia de procesamiento es de gran importancia práctica para piezas de paredes delgadas hechas de materiales difíciles de procesar.
• (3) Se selecciona la herramienta de corte con un ángulo de ataque grande y un filo afilado para reducir la fuerza de corte y evitar la deformación de las piezas debido al mecanizado. Rectificado: Para mejorar la vida útil de la herramienta, se utiliza una hoja R0.8 para arquear la punta de la herramienta; En el acabado, se utiliza la hoja normal R0.4, se ajustan los parámetros de corte y las herramientas de corte, y se optimiza la cantidad de corte durante el acabado, lo que puede evitar la vibración durante el torneado.