Pesquisa sobre processo de torneamento de anel de parede fina em forma de L feito de superliga à base de níquel – fornecendo soluções para tubulação

2024年6月29日 Roberto Magalhães

O anel de parede fina em forma de L de um combustor de turbina a gás é uma peça de parede fina feita de material de liga de alta temperatura, que tem a dupla característica de materiais difíceis de usinar e estruturas difíceis de usinar. Suas características estruturais e dificuldades de processamento são analisadas detalhadamente. Ao discutir os problemas técnicos do anel de parede fina no processamento de torneamento, tais como: B. ligeira deformação e dificuldade em garantir a precisão das peças devido à influência da força de corte, força de fixação, calor de corte e tensão residual, fluxo do processo de torneamento, seleção de ferramentas, esquema de fixação e esquema de seleção de parâmetros de corte de finos em forma de L. anel murado do combustor da turbina a gás é apresentado. A deformação das peças é controlada e a precisão da forma e da posição é garantida. Finalmente, é fornecido o esquema do processo de processamento em lote. Introdução e resumo do Processo de torneamento de um anel de parede fina em forma de L de um queimador de turbina a gás e serve de referência para peças de paredes finas feitas de outros materiais de difícil usinagem.

0. Prefácio

O anel de parede fina em forma de L do combustor da turbina a gás é feito de liga Hastelloy. A liga Hastelloy é uma superliga à base de níquel com baixíssimo teor de carbono e silício. Possui alta resistência, tenacidade, resistência à corrosão em altas temperaturas e altas propriedades mecânicas em altas temperaturas. A liga Hastelloy é amplamente utilizada em ambientes de trabalho de alta temperatura, alta pressão e corrosão, como peças de alta temperatura de turbinas a gás. No entanto, a liga Hastelloy tem características de endurecimento fácil durante o processamento e baixa condutividade térmica, e a tensão interna durante o processamento é grande. A deformação ocorre facilmente, resultando em defeitos como tamanho de recurso fora da tolerância.
A deformação rotacional de Liga Hastelloy anel de parede fina As peças são um problema difícil no processamento de torneamento, e o torneamento de peças de anéis de paredes finas feitas de ligas de alta temperatura é ainda mais difícil. A fim de resolver os problemas de processamento difícil e fácil deformação de materiais de liga Hastelloy e peças de anéis de paredes finas no processo de corte, muitos cientistas pesquisaram extensivamente seu mecanismo de corte e tecnologia de processamento. Shi Yusheng propôs um esquema de seleção de uma ferramenta de torneamento de metal duro e material de perfuração para processamento de liga Hastelloy e forneceu as referências de ângulo geométrico da ferramenta de torneamento e seus parâmetros de corte. Zhang Yufeng usa uma única peça de anel de parede fina feita de aço de alta resistência 30CrMnSiA como objeto de pesquisa. Ao otimizar os parâmetros do processo e melhorar os dispositivos, o problema da deformação rotacional das peças do anel de paredes finas é efetivamente resolvido. Sun et al. investigou o método para controlar a deformação rotacional de peças anulares de paredes finas. Tomando como exemplo o anel externo de um tubo de chama de motor de aeronave, um método de torneamento em camadas escalonadas foi proposto para reduzir a deformação rotacional da peça. Yang Zhenhua desenvolveu uma ferramenta de fixação especial para tornear peças de paredes finas em forma de anel. A ranhura do processo do mandril de quatro mandíbulas é usada para instalar o acessório, e o método de fixação de posicionamento dos anéis interno e externo é adotado para reduzir a deformação da peça de trabalho. O anel de parede fina em forma de L do combustor da turbina a gás estudado neste trabalho é feito de Hastelloy X, que possui as características duplas de materiais difíceis de usinar e estruturas anulares de paredes finas difíceis de usinar.

1. As características das peças e dificuldades de processamento

1.1 Análise estrutural

A estrutura de um anel de parede fina em forma de L é uma peça típica de anel de parede fina. Conforme mostrado na Figura 1, as dimensões de cada peça estão sujeitas a requisitos de alta tolerância. O furo interno Φ175^+0,05₀mm e a espessura do cubo 8mm ± 0,02mm são os mais difíceis de controlar. A verticalidade da superfície da extremidade esquerda em relação à referência do furo interno A é de 0,015 mm, a espessura da parede da extremidade direita é de apenas 5 mm, a relação diâmetro-espessura é de 37 e a rugosidade da superfície de usinagem principal é menor que Ra1. 6. Com uma relação diâmetro-espessura tão grande, é muito difícil garantir tantas tolerâncias dimensionais, geométricas e rugosidades superficiais.

Fig.1 Anel de parede fina em forma de L

1.2 Análise das propriedades dos materiais

O material do anel de parede fina em forma de L é Hastelloy X, uma liga de níquel. Possui excelente resistência à corrosão em altas temperaturas e é adequado para a produção de componentes de turbinas a gás de alta temperatura. Sua resistência à tração é de 690MPa, o limite de escoamento é de 0,4, a plasticidade é excelente e a faca é fácil de ficar presa durante o processamento. A condutividade térmica do material é 1/4 da do aço comum. A temperatura da área de corte é alta e a ferramenta desgasta-se facilmente. Resumindo, o material é muito difícil de processar. A composição química está listada na Tabela 1, as propriedades físicas na Tabela 2 e as propriedades mecânicas na Tabela 3.
Tabela 1 Componentes químicos do Hastelloy X (%)

Não	Cr	Fé	Mo	b	Co	C	Mn	Si	S	Cu	Al	Ti
base	20,5-23	17-20	8-10	0,2-1	0,5-2,5	0,05-0,15	1	1	0	1	0	1

Tabela 2 Propriedades físicas do Hastelloy X

Densidade/g/cm³)	Ponto de fusão/℃	Térmico Condutividade λ/ (W/(m ℃))	Calor específico Capacidade/(J/(kg·℃))	Elástico Módulo/Gpa	Expansão linear Coeficiente a/(10^-6/℃)
8.23	1295 1381	13,38 (100ºC)	372,6	199	12,1 (20°C – 100°C)

Tabela 3 Propriedades mecânicas do Hastelloy X (propriedades mecânicas mínimas a 20 °C)

1.3 Dificuldades de processamento
A partir da análise acima, o processo de torneamento do anel de parede fina em forma de L traz principalmente as seguintes dificuldades:

(1) A condutividade térmica do material de liga Hastelloy é baixa, a temperatura na área de corte é alta, a ponta da ferramenta de torneamento é fácil de queimar e a precisão após a troca da ferramenta é difícil de garantir.
(2) A força de corte no processo de corte é grande. A força de corte da unidade é 2 a 2,5 vezes a força de corte do aço 45#. Peças de paredes finas são facilmente deformadas, a ferramenta se desgasta rapidamente e a precisão da usinagem não é fácil de garantir.
(3) Forte endurecimento por trabalho, maior resistência ao corte, desgaste mais rápido da ferramenta.
(4) O limite de escoamento do material é de 0,4, a plasticidade é forte e o desgaste da ligação é fácil de ocorrer no processo de corte.
(5) A relação diâmetro-espessura da peça chega a 37 e a rigidez estrutural é extremamente fraca. Devido à influência da força de fixação, força de corte e calor de corte, deformação e vibração são fáceis de ocorrer, e os requisitos de precisão de tamanho e forma não podem ser facilmente atendidos.
(6) As peças possuem alta precisão dimensional e precisão de forma. A superfície da extremidade esquerda da peça é 0,015 mm perpendicular à referência A do furo interno. É necessário usinar o furo interno de referência e a superfície da extremidade esquerda na mesma braçadeira para garantir o requisito de esquadria. No entanto, devido à deformação do furo interno e à distorção do passo de 8 mm ± 0,02 mm, a esquadria está fora da tolerância.
(7) Por sua vez, é necessário otimizar a tecnologia de processamento, tornar o método de processamento e fixação razoável, otimizar a ferramenta de corte e os parâmetros de corte, reduzir o calor de corte, eliminar a vibração rotacional e realizar o controle de deformação das peças.

2. Diagrama do processo de torneamento

2.1 Projeto de dispositivo especial

O processo de usinagem e o esquema de fixação são muito importantes para evitar a deformação das peças. Devido à estrutura especial das peças, um dispositivo especial deve ser projetado. O dispositivo especial não deve apenas garantir a precisão das peças, mas também evitar a deformação das peças devido à fixação e usinagem, ao mesmo tempo que simplifica a operação. O esquema de design específico é o seguinte:
(1) O dispositivo especial usa o método de fixação axial para transportar a força de fixação na direção da rigidez da peça grande e reduzir a deformação de fixação da peça. O dispositivo das peças é mostrado na Fig.

Fig. 2: Representação esquemática da fixação da peça.
(2) A matriz do dispositivo instala o anel de parede fina em forma de L. A face de posicionamento e o círculo externo de posicionamento cooperam com a face esquerda e o orifício interno do anel de parede fina em forma de L para determinar a posição correta do anel de parede fina em forma de L na braçadeira. O círculo externo de posicionamento e o orifício interno do anel de parede fina em forma de L são fornecidos com ajuste de folga, e a folga de ajuste deve ser de 0,02 mm a 0,04 mm, o que pode efetivamente garantir a coaxialidade das peças e permitir que as peças sejam carregado e descarregado suavemente, se o furo interno encolher ligeiramente após a aplicação da força.
(3) Quando usado, o mandril do torno fixa a matriz de fixação para corrigir a face final de posicionamento e o círculo externo de posicionamento, garantindo que a face final de posicionamento seja perpendicular ao eixo do fuso do torno e o eixo do círculo externo de posicionamento seja consistente com o eixo do fuso do torno. O design é útil para garantir a precisão do posicionamento das peças.
(4) O furo cônico na superfície da extremidade direita da placa de pressão é ajustado com a ponta superior em um furo cônico de 60° para garantir que o eixo do furo cônico central seja perpendicular à superfície final da placa de pressão e coincida com o eixo da placa de pressão. É usado para pressionar axialmente a superfície da extremidade direita de um anel de parede fina em forma de L, alterar o ponto de aplicação de força, forçar as extremidades esquerda e direita de um anel de parede fina em forma de L, garantir que a posição do L- o anel de parede fina em forma no dispositivo é fixado durante o giro e evita efetivamente a deformação de fixação de peças de parede fina.
(5) Vários orifícios passantes são dispostos uniformemente na matriz do dispositivo e na placa de pressão para reduzir a massa e a inércia rotacional durante a rotação, o que conduz à rotação estável. O orifício passante também é usado como pinça durante o processo de carga e descarga da chapa de impressão para evitar quedas durante o processo de carga e descarga da chapa de impressão.

2.2 Esquema de otimização para ferramentas de torneamento e parâmetros de corte

A fim de reduzir a força de corte no processo de usinagem e, assim, reduzir a quantidade de deformação, levando em consideração o custo e a eficiência do processamento, a análise teórica e um grande número de testes de corte determinam a seleção de ferramentas de torneamento:

(1) No torneamento em desbaste, é selecionada a lâmina tipo S20 com grande ângulo de saída e grande ângulo posterior, que é adequada para torneamento de ligas de alta temperatura. O raio da ponta da ferramenta é R0,8 mm, por ex. B. Marca WALTER, WNMG160608 WSM20S, que pode melhorar a vida útil da ferramenta e reduzir a força de corte e o calor de corte. Ele pode ser usado para girar a face final, o círculo externo e o furo interno e reduzir a frequência de troca de ferramentas para melhorar a eficiência da usinagem.
(2) Para reduzir ainda mais a força de corte e evitar vibração durante o acabamento, uma broca giratória WSM20S normal com um pequeno raio de arco de ponta de R0,2 mm – R0,4 mm é selecionada e o ângulo entre a aresta de corte e a superfície final é ajustado durante a instalação da ferramenta ajustada para 15 ° -20 °, o que pode efetivamente evitar que a área de contato excessiva entre a aresta de corte e a face final afete a qualidade da peça ao terminar a face final do degrau de 8 mm ± 0,02 mm. O furo interno do torneamento de acabamento deve aumentar o diâmetro da barra de ferramentas e melhorar a rigidez da barra de ferramentas. O menor ângulo da ponta da ferramenta é benéfico para reduzir a área de contato entre a aresta de corte auxiliar e a peça, evitando efetivamente a vibração de corte e melhorando a qualidade da peça.

Ao processar materiais de liga Hastelloy, devido às propriedades do material, os parâmetros de corte devem ser reduzidos e controlados, o número de cortes deve ser aumentado e a velocidade de corte deve ser uniforme para reduzir a força de corte e o calor de corte. A influência da velocidade de corte na força de corte muda constantemente. Para peças de liga Hastelloy de paredes finas, uma velocidade de corte mais baixa pode reduzir o calor de corte e prolongar a vida útil da ferramenta. Os parâmetros de corte específicos recomendados são os seguintes:

(1) Profundidade de corte: Desbaste_P é de 2 mm, o acabamento é de 0,15 mm;
(2) Velocidade de corte: Desbaste V_C Escolha 60 m/min, para acabamento escolha 75 m/min;
(3) Velocidade de avanço: Desbaste selecionável 0,25 mm/rev, Acabamento selecionável 0,1 mm/rev.

Para reduzir a deformação térmica das peças, são necessários resfriamento e lubrificação adequados durante o torneamento. Fluido de corte com grande capacidade de calor específico, baixa viscosidade e boa fluidez deve ser escolhido como refrigerante, por exemplo. B. Fluido de corte emulsionado à base de água, que pode absorver uma grande quantidade de calor, reduzindo a temperatura de corte e a deformação térmica dos anéis de paredes finas em forma de L.

2.3 Esquema de corte

2.3.1 Organização do processo de torneamento

Após uma análise abrangente da estrutura e do material das peças, as peças são divididas em usinagem de desbaste, usinagem semiacabada e usinagem final. O blank da peça é cortado com gás. A fim de proteger a precisão do torno CNC, a usinagem de desbaste geral do carro é usada para remover a camada de corte de gás, e uma margem de usinagem de 2 mm é deixada em cada superfície. Para garantir que a superfície de fixação da peça seja suficientemente rígida ao completar o furo interno, o círculo externo da referência do processo de projeto é usado para aumentar a espessura da superfície de fixação da peça, e a fixação de garra macia é usada para aumentar a área de contato de fixação e reduzir a deformação de fixação do Para reduzir alguns. Organizar o envelhecimento à temperatura ambiente por pelo menos 48 horas após a usinagem de desbaste é principalmente para aliviar completamente a tensão residual gerada pela peça após o aquecimento da força de usinagem de desbaste e para evitar a liberação de tensão pelo processamento contínuo no produto acabado, resultando na deformação do peça e uma tolerância dimensional. A usinagem de semiacabamento em torno CNC garante que a margem de usinagem de cada superfície das peças seja consistente, especialmente no processamento em lote.
No acabamento, o círculo externo do acabamento é utilizado como ponto de referência para posicionamento e torneamento de fixação do furo interno. Ao mesmo tempo, o acabamento da face final pequena da peça é utilizado como limite do comprimento total e acabamento do furo interno. O chanfro do pequeno furo interno é processado antecipadamente para evitar o acabamento do furo interno. O furo interno é então virado e tensionado várias vezes, o que leva à deformação da peça. A face da extremidade esquerda e o furo interno são usinados pelo círculo externo de referência da mandíbula da braçadeira em forma de leque para evitar que as peças sejam deformadas pela força de fixação. Quando o furo interno e a face final esquerda são utilizados como posicionamento de referência, para evitar fixação e evitar deformação das peças por força de corte, o dispositivo especial é utilizado para posicionamento e fixação (Figura 2). Isso pode efetivamente evitar a deformação do furo interno e a distorção das etapas das peças e garantir a precisão dimensional e a coaxialidade do anel de paredes finas. Ao mesmo tempo, há mais espaço para o acabamento desta fixação, portanto a quantidade de corte, a força de corte e o calor de corte gerado durante o processamento precisam ser reduzidos.
De acordo com a análise da tecnologia de processamento acima, visando as características estruturais e dificuldades de processamento do anel de parede fina em forma de L, o fluxo do processo de torneamento mostrado na Figura 3 é formulado de forma abrangente.

Fig.3 Processo de torneamento

2.3.2 Esquema de usinagem para furo interno e face final esquerda

Na usinagem convencional, a usinagem de desbaste geralmente é uma margem de usinagem uniforme. No entanto, a parte de fixação do furo interno do anel de suporte em forma de L é muito fina e rígida e é facilmente deformada pela força. Portanto, na fase de usinagem de desbaste, o círculo de referência externo (Fig. 4) é projetado para aumentar a espessura da peça de fixação para garantir rigidez suficiente. O furo interno é usinado por um único círculo de referência externo. Após muitos testes e ajustes, a deformação do furo interno fica sempre entre 0,02mm e 0,03mm. Diante desta situação, a rigidez de fixação das peças é ainda melhorada com o uso da garra macia do tipo bainha limite grande em forma de arco e leque (Fig. 5) e da bainha de mola (Fig. 6).
Ao mesmo tempo, para garantir que a parte de fixação de cada peça seja compatível com a superfície do arco da garra macia ou com o orifício interno da bainha da mola durante o processamento em lote, o círculo externo da referência da base do processo é definido como Φ190 .^{+ 0,1}₀ mm, e o orifício interno da grande garra macia em forma de arco e leque e a bainha da mola são ajustados em Φ1900_-0,1milímetros. O comprimento é ajustado em 20 mm para garantir uma área de contato de fixação suficientemente grande ao fixar a peça. A força de fixação é distribuída uniformemente por toda a superfície do cilindro do círculo de referência externo do processo, de modo que o orifício interno da grande garra macia em forma de leque ou bainha de mola possa ser limitado. O processamento em lote e o controle eficaz da deformação do furo interno e da superfície da extremidade esquerda da peça estão dentro de 0,01 mm.

Figura 4

Figura 5

Figura 6

2.3.3 Círculo externo direito e esquema de processamento de espessura

Ao girar a extremidade direita da peça, o passo de 8 mm ± 0,02 mm é ligeiramente distorcido pela influência da força de corte e da força de fixação, e a precisão é muito difícil de garantir, o que destruiria a perpendicularidade de 0,015 mm. Após muitos estudos experimentais, um dispositivo especial foi projetado e fabricado. Conforme mostrado na Figura 2, o mandril do torno é usado para fixar a matriz do acessório, e o relógio comparador é corrigido dentro de 0,005 mm para garantir que a face final de posicionamento da matriz do acessório seja perpendicular ao eixo do fuso do torno, e o eixo do círculo externo de posicionamento é consistente com o eixo do fuso do torno. O anel de parede fina em forma de L é instalado no círculo externo do posicionamento específico do grampo, e a superfície da extremidade esquerda do anel de parede fina em forma de L é equipada com a face final de posicionamento da matriz de fixação para limitar o posição axial da peça.
O círculo de posicionamento externo da placa de pressão é carregado no orifício interno do anel de parede fina em forma de L, e o orifício cônico de 60° da placa de pressão é apertado pela parte superior do cabeçote móvel do torno para mover a placa de pressão axialmente. A face final de posicionamento da placa de pressão está intimamente conectada à face final direita do anel de parede fina em forma de L, e o anel de parede fina em forma de L é comprimido axialmente. Este esquema de fixação altera o ponto de aplicação e a direção da força, reduzindo efetivamente a deformação de usinagem do anel de parede fina em forma de L.

3. Conclusão

Com base no estudo de inúmeras literaturas científicas, este artigo examina o anel de parede fina em forma de L como objeto de pesquisa, que possui as duas características difíceis de usinar do material de liga Hastelloy e do anel de parede fina. Através do desenvolvimento de um esquema de fixação especial para peças, do ajuste e otimização de ferramentas de torneamento e parâmetros de corte, do arranjo científico do fluxo do processo de torneamento e de um esquema de processamento específico, do controle de deformação no torneamento de anéis de paredes finas em forma de L com Hastelloy O material X é realizado e a qualidade do processamento das peças é garantida. Através da pesquisa realizada neste artigo, foram tiradas as seguintes conclusões:

(1) O esquema de fixação descrito neste documento é utilizado para acabamento. A superfície final rígida da peça é pressionada axialmente e o ponto de aplicação da força é alterado para forçar as extremidades esquerda e direita da peça, evitando efetivamente a deformação de fixação da peça de parede fina. O esquema de projeto de fixação pode ser aplicado ao torneamento de peças semelhantes de paredes finas.
(2) Ao usinar peças de paredes finas que podem ser facilmente feitas de materiais endurecíveis, o envelhecimento à temperatura ambiente pode ser organizado após usinagem de desbaste e usinagem de semiacabamento para aliviar as tensões residuais geradas durante a usinagem das peças, o que ajuda a garantir usinagem contínua de peças de paredes finas até o produto acabado. A liberação de tensões leva à deformação das peças e à tolerância dimensional. Esta sequência de processamento é de grande importância prática para peças de paredes finas feitas de materiais difíceis de processar.
(3) A ferramenta de corte com grande ângulo de inclinação e aresta de corte afiada é selecionada para reduzir a força de corte e evitar a deformação das peças devido à usinagem. Desbaste: Para melhorar a vida útil da ferramenta, a lâmina R0.8 é usada para arco na ponta da ferramenta; No acabamento, é utilizada a lâmina normal R0.4, os parâmetros de corte e as ferramentas de corte são ajustados e a quantidade de corte durante o acabamento é otimizada, o que pode evitar vibrações durante o torneamento.