Технологічне забезпечення якості несучих поверхонь моноколіс компресорів газотурбінних двигунів із титанових сплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

„Харківський авіаційний інститут”

Автореферат

Технологічне забезпечення якості несучих поверхонь моноколіс компресорів газотурбінних двигунів із титанових сплавів

Спеціальність 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів

Мозговий Сергій Володимирович

Харків - 2011

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти i науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Качан Олексій Якович,

Запорізький національний технічний університет,

завідувач кафедри технології авіаційних двигунів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Фадєєв Валерій Андрійович,

Державне підприємство Харківський машинобудівний завод «ФЕД»,

головний інженер;

кандидат технічних наук

Кондратюк Едуард Васильович,

Державне підприємство „Запорізьке машинобудівне бюро „Прогрес” ім. О.Г. Івченка”,

головний технолог.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасних авіаційних газотурбінних двигунах і допоміжних силових установках основними деталями ротора компресора є осьові і відцентрові моноколеса, технологія виробництва яких у наш час перебуває на етапі розробки, налагодження та освоєння.

Відсутність у наш час науково-обґрунтованих технологічних рекомендацій з механічної і оздоблювально-зміцнювальної обробки зазначених деталей приводить до формування в поверхневому шарі на їх несучих поверхнях низьких значень параметрів якості, що приводить до руйнування лопаток і дострокового зняття двигуна з експлуатації.

Тому технологічне забезпечення високого рівня якості несучих поверхонь осьових і відцентрових моноколіс компресорів з титанових сплавів є важливим і актуальним науково-практичним завданням сучасного авіадвигунобудування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертації автор одержав при виконанні «Державної комплексної програми розвитку авіаційної промисловості України до 2010 р.» (Постанова Кабінету Міністрів України від 12.12.2001 р. №1665-25).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є технологічне забезпечення характеристик якості несучих поверхонь осьових і відцентрових моноколіс компресорів ГТД із титанових сплавів шляхом формування раціонального сполучення характеристик поверхневого шару на формотворному і фінішному етапах обробки, що підвищують опір втомленості. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

1. Встановити закономірності і дослідити процес формування характеристик поверхневого шару несучих поверхонь осьових і відцентрових моноколіс із титанових сплавів при високошвидкісному фрезеруванні (ВШФ) з різними режимами.

2. Розробити аналітичний метод і одержати систему залежностей для параметрів процесу динамічного зміцнення поверхневим пластичним деформуванням.

3. Розробити науково-обґрунтовану методику інженерного розрахунку для визначення параметрів процесу динамічного зміцнення несучих поверхонь деталей поверхневим пластичним деформуванням.

4. Встановити закономірності і дослідити процес формування характеристик поверхневого шару несучих поверхонь осьових і відцентрових моноколіс із титанових сплавів різними методами оздоблювально-зміцнювальної обробки.

5. Розробити технологічні рекомендації з високошвидкісного фрезерування і оздоблювально-зміцнювальної обробки осьових і відцентрових моноколіс із титанових сплавів.

Об'єктом дослідження ? осьові і відцентрові моноколеса компресорів з титанових сплавів, а також технологічні операції високошвидкісного фрезерування і деформаційного зміцнення.

Предметом дослідження були характеристики поверхневого шару несучих поверхонь осьових і відцентрових моноколіс із титанових сплавів.

Методи дослідження містять у собі: методи інженерної механіки - для дослідження фізико-механічних характеристик поверхневого шару і міцнісних характеристик зразків; методи математичної статистики - для обробки результатів випробувань; числові методи теорії пружності - для визначення напружено-деформованого стану при різних умовах навантаження.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше, на підставі комплексного і системного дослідження характеристик поверхневого шару несучих поверхонь осьових і відцентрових моноколіс із титанових сплавів у взаємозв'язку з послідовністю виконання технологічних операцій, їх режимами і установленими емпіричними закономірностями впливу характеристик поверхневого шару на опір втомленості деталей, дано наукове обґрунтування технологічного забезпечення високої несучої здатності моноколіс, шляхом їх формоутворення високошвидкісним фрезеруванням і наступним формуванням сприятливого сполучення характеристик поверхневого шару комбінованим зміцненням: ультразвуковою обробкою сталевими кульками і наступним обдуванням скляними мікрокульками.

2. Вперше отримано систему аналітичних залежностей, на основі якої розроблено науково-обґрунтовану методику інженерного розрахунку, що встановлює послідовність визначення параметрів динамічного зміцнення несучих поверхонь деталей поверхневим пластичним деформуванням, що дозволило призначати обґрунтовані режими поверхневої динамічної обробки, яка зміцнює.

3. Вперше експериментально встановлено механізм виникнення вібрацій у зоні обробки при високошвидкісному фрезеруванні, що визначається співвідношенням періоду власних коливань оброблюваної деталі і величини часу різання кожного із зуб'ів фрези, що дозволило знизити рівень вібрацій, а отже, і шорсткість оброблених поверхонь.

4. Встановлено емпіричні залежності впливу режимів механічної обробки і обробки, що зміцнює, на характеристики поверхневого шару несучих поверхонь моноколіс і опору втомленості, що дозволило обґрунтовано призначати режими обробки, а також визначати структуру типового технічного процесу їхнього виготовлення, що дозволяє забезпечувати їх високу несучу здатність.

Практичне значення одержаних результатів:

1. На підставі одержаних наукових результатів створено комплекс технічного і технологічного забезпечення для виготовлення осьових і відцентрових моноколіс компресорів з титанових сплавів з високими експлуатаційними характеристиками, який включає:

- нові технологічні процеси виготовлення осьових і відцентрових моноколіс із титанових сплавів;

- технологічні рекомендації з механічної і оздоблювально-зміцнювальної обробок поверхневого шару несучих поверхонь із титанових сплавів;

- технологічне устаткування і оснащення для виготовлення осьових і відцентрових моноколіс.

2. Впровадження результатів роботи забезпечило підвищення довговічності в 1,8...2,0 рази в порівнянні із серійною технологією.

3. Використання технологічної документації передбачено і на інших заводах авіаційного профілю.

Особистий внесок здобувача.

Основні наукові результати роботи отримано автором самостійно.

Формулювання завдань, висновків і основних положень проводилися разом з науковим керівником.

Проведення експериментальних досліджень, розробка програмних продуктів, впровадження результатів робіт виконано разом з співробітниками ВАТ «Мотор Січ» і ДП ЗМКБ «Івченко-Прогрес». Підготовку і видання науково-технічних статей виконано за участю співавторів, що беруть участь при проведенні експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертації доповідалися і обговорювалися на:

- XI, XII, XIII Міжнародних конгресах двигунобудування в 2006, 2007, 2008 р.р. (м. Харків - Рибач'є);

- XVI Міжнародному науково технічному семінарі «Високі технології в машинобудуванні Interpartner - 2007» до 100-річчя ВАТ «Мотор Січ» в 2007 р. (м. Алушта);

- IV Міжнародній науково-технічної конференції «Нові технології, методи обробки і зміцнення енергетичних установок» 2006 р. (м. Алушта);

- II Міжнародній молодіжній науково-технічній конференції авіамоторної галузі «Молодь в авіації: нові рішення і перспективні технології» в 2008 р. (м. Алушта).

Дисертація доповідалася і одержала позитивну оцінку на наукових семінарах кафедри «Технології авіаційних двигунів» Запорізького національного технічного університету і кафедри «Технологія виробництва авіаційних двигунів» Національного аерокосмічного університету «ХАІ».

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 наукових праць, з них 10 статей у наукових фахових виданнях, указаних в переліку ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із введення, чотирьох розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел інформації. Загальний обсяг роботи становить 239 сторінок, з них основний текст на 214 сторінках, 92 рисунка, 25 таблиць, 2 додатки на 7 сторінках і 166 використаних літературних джерел на 16 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, наукову новизну, практичне значення та основні наукові положення, які автор виносить на захист.

У першому розділі проведено аналіз впливу технології виготовлення деталей ГТД із титанових сплавів на їх несучу здатність.

Аналіз технологічних методів формоутворення і оздоблювально-зміцнювальної обробки лопаток моноколіс за матеріалами літературних джерел, які присвячено дослідженням цих процесів, дозволив виявити ряд питань, що вивчено недостатньо або обсяг публікацій за якими обмежений.

1. Відсутні системні дослідження впливу режимів високошвидкісного фрезерування і методів оздоблювально-зміцнювальної обробки на формування характеристик поверхневого шару.

2. Відсутні системні дослідження зміни комплексу характеристик матеріалу поверхневого шару залежно від ступеня його пластичної деформації (наклепу).

3. Відсутні дані про методи, установки і оптимальні режими зміцнення лопаток напівзакритих коліс компресорів з титанових сплавів.

На підставі аналітичного огляду публікацій було сформульовано мету роботи, науково-практичні задачі та обрано напрямок досліджень.

В другому розділі визначено обєкт дослідження, а також містяться методики досліджень, які необхідні для вирішення поставлених науково-практичних завдань.

Типовими представниками для досліджень були обрані осьове та відцентрове моноколеса з титанових сплавів (рис. 1). Приводиться опис умов експлуатації конструкції, основні вимоги до матеріалу і стану поверхонь відцентрового моноколеса допоміжної силової установки АИ-450МС та осьового моноколеса авіадвигуна Д-27.



Рис. 1. Об'єкт дослідження - осьові і відцентрові моноколеса з титанових сплавів

Методологічний підхід до вирішення поставленої мети роботи полягає в дослідженні закономірностей зміни характеристик якості поверхневого шару при різних варіантах технологічних операцій у технологічному процесі та оцінювання ефективності сполучення різних варіантів технології виготовлення моноколіс.

Досліджувалися такі характеристики якості виготовлення моноколіс: точність геометрії і форми, макро і мікрогеометрія поверхні (жорсткість) напружений стан, ступінь та глибина зміцненого шару, мікроструктура.

Дослідження виконувалися на натурних моноколесах та зразках, які було вирізано з натурних моноколіс, з використанням стандартних методик, що використовуються в авіабудуванні.

Обробку результатів експериментів робили за допомогою методів математичної системи та програми STATISTICA.

При виготовленні моноколіс використовувався п'ятикоординатний високошвідкисний обробний центр TURBOBLISK 1005.

Інструментами при ВШФ були кульові фрези з параметрами R = 5 мм; кут конуса -5°; z = 4 із дрібнозернистого твердого сплаву H10F SANDVIK, HB30F, HB44F BOLERIT.

Застосувалися різні методи оздоблювально-зміцнювальних обробок моноколіс, які включають: ультразвукове зміцнення, зміцнення скляними мікрокульками, аерозольно-гідродинамічну обробку, комбіновану зміцню-вальну обробку. Обробка виконувалась на устаткуванні ВАТ „Мотор Січ”.

Третій розділ присвячено дослідженню технології ВШФ несучих поверхонь моноколіс та її впливу на параметри якості їх поверхневого шару.

На основі комп'ютерного моделювання процесу формоутворення пера лопаток і проточної частини моноколіс розроблено технологію їх обробки високошвидкісним фрезеруванням з вказівкою етапів, інструмента і режимів обробки (рис. 2).

Рис. 2. Моделювання осьового моноколеса з технологічними границями за висотою лопатки (а), формоутворення пера спіральним високошвидкісним фрезеруванням (б) і маточини (в)

Осьове і відцентрове моноколеса в зоні обробки показані на рис. 3.

Рис. 3. Осьове (а) і відцентрове (б) моноколеса в зоні обробки

Запропоновано методи керування вектором фрези в процесі формоутворення моноколіс і показано технологічні особливості і можливості застосування кожного з них, що дозволило визначити необхідні переміщення інструмента і керуючу програму п'ятикоординатної обробки (рис. 4).

Рис. 4. Схеми методів “Масив векторів” (а) і “Точка” (б)

Експериментально встановлено, що виникнення вібрацій у зоні обробки при високошвидкісному фрезеруванні відрізняється від виникнення вібрацій при фрезеруванні із традиційними швидкостями різання.

Результати модального аналізу і експериментального дослідження спектра частот коливань пластини в процесі високошвидкісного рядкового фрезерування показали, що незалежно від режимів і напрямку обробки, коливання пластини відбуваються за власними формами і відповідними їм частотами (рис. 5).



Рис. 5. Частотний спектр коливань пластини (інтенсивність, од. g - частота, Гц) при фрезеруванні за режимом: n = 15000 об/хв ( = 1500 Гц); S = 2700 мм/хв; t = 0,1 мм:

а - попутне фрезерування; б - зустрічне фрезерування

Час взаємодії ріжучої кромки зуба фрези з деталлю визначається за формулою:

,

де - радіус фрези, мм;

- глибина різання, мм;

- частота обертання шпинделя верстата, об/хв.

Механізм виникнення вібрацій визначається співвідношенням періоду Т власних коливань оброблюваної деталі і величини часу різання ф кожного із зубів фрези.

Якщо - частота коливань визначається частотою збурюючої сили;

Якщо - частота коливань визначається власними частотами деталі.

Показано, що значне зниження вібрацій у зоні обробки при високошвидкісному фрезеруванні деталі забезпечується за рахунок динамічного балансування оправки і фрези на двох рівнях.

Встановлено, що ефективним методом зниження вібрацій у зоні обробки, і, як наслідок, шорсткості поверхні лопаток моноколеса є оптимізація режимів високошвидкісного фрезерування за рівнем вібрацій. Пошук оптимальних значень параметрів режимів різання виконаний шляхом мінімізації значень вихідних параметрів синтезованих нейросіткових моделей, що описують залежність середнього значення амплітуди отриманих сигналів вібрацій деталі від спільного впливу режимів фрезерування.

,

де j = 1, 2, …, k - номер входу нейрона;

i = 1, 2, 3, 4 - номер нейрона в шарі;

м = 1, 2 - номер шару;

_j^(,i) - ваговий коефіцієнт j-го входу i-го нейрона м-го шару нейронної сітки;

- функція постсинаптичного потенціалу i-го нейрона м-го шару;

^(,i)() - функція активації i-го нейрона м-го шару;

x_j^(,i) - значення на j-ом вході i-го нейрона м-го шару;

N - кількість шарів; N₀ = N - кількість ознак.

У результаті оптимізації встановлено, що вид фрезерування (попутне або зустрічне) незначно впливає на вібрацію.

Оптимальними режимами фрезерування є:

n = 7000 об/хв, S_z = 0,06 мм/зуб, t = 0,065 мм.

Лінійна оптимізація ВШФ деталей з титанових сплавів за критерієм max з урахуванням обмежень, що накладають на процес різання, дозволила встановити оптимальне сполучення режимів різання: 9320 об/хв; 0,06 мм на зуб фрези; 0,05 мм.

За результатами вимірів профілю аеродинамічних поверхонь лопаток і їх статистичної обробки встановлено, що після ВШФ фактичне середнє значення відхилення профілю від теоретичного значення становить 0,0221 мм у тіло лопатки, що відповідає середині поля допуску. Відносна погрішність визначення відхилень профілю не перевищує 1%.

Після чистового ВШФ у поверхневому шарі пера лопатки утворюються залишкові напруги стиску, величина яких на відстані - 2 мкм від поверхні становить 212... 260 МПа із глибиною поширення 30...50 мкм (рис. 6).

Рис. 6. Розподіл залишкових напруг стиску в поверхневому шарі після чистового високошвидкісного фрезерування

Шорсткість оброблених поверхонь пера лопаток осьового моноколеса після чистового ВШФ нерівномірна і перебуває в діапазоні R_а.сер.= 0,386...0,74мкм (рис. 7).



Рис. 7. Розподіл шорсткості (R_a, мкм) по поверхні корита (а) і спинки (б) пера лопатки після чистового високошвидкісного фрезерування

Мікроструктура поверхневого шару лопатки рівновісна, яка складається з б і б + в фаз (рис. 8).

Рис. 8. Мікроструктура поверхневого шару лопатки моноколеса, обробленого високошвидкісним фрезеруванням

Таким чином, встановлено, що після ВШФ спостерігається нерівномірна шорсткість поверхонь спинки і корита профілю пера лопаток, а в поверхневому шарі - стискаючі залишкові напруги, величина і глибина поширення яких недостатня для забезпечення високих значень ресурсу.

Запропоновано формування характеристик поверхневого шару несучих поверхонь моноколіс для технологічного забезпечення підвищення їх опору втомленості здійснювати наступним застосуванням оздоблювально-зміцнювальних методів обробки.

У четвертому розділі представлено результати теоретичних і експериментальних досліджень впливу оздоблювально-зміцнювальних методів обробки на параметри якості лопаток моноколіс, формоутворених методом ВШФ.

Отримано аналітичні залежності для відносних значень середнього ступеня деформації у відбитку і середнього контактного тиску від інтенсивності деформації в центрі площадки контакту, а також зусилля і ступеня навантаження, пружної , пластичної деформацій і загального зближення , а також глибини зміцненого шару від середнього ступеня деформації , які представлені у вигляді:

; ;

; ;

; ;

; ;

,

де , , - дійсні значення динамічної границі текучості, інтенсивності деформації на границі текучості і поточного значення інтенсивності деформації в центрі відбитка;

- константа деформаційного зміцнення оброблюваного матеріалу (показник ступеня в узагальненій діаграмі деформування);

- наведений модуль пружності і наведений параметр пружності, відповідно, при чисто пружному і пружному-пластичному ударному деформуванні.

; ,

де - нормальні модулі пружності і коефіцієнти Пуассона матеріалу, який обробляє, і матеріалу, який зміцнюється;

- змінні параметри пружності оброблюваного матеріалу;

- січний модуль на кривій деформування;

.

На підставі отриманих залежностей розроблено методику інженерного розрахунку параметрів динамічного зміцнення поверхневим пластинчастим деформуванням, що містить номограму для визначення параметрів зміцненого шару (рис.9).



Рис. 9. Номограма для визначення параметрів зміцненого шару і початкової швидкості удару по заданій інтенсивності деформації при обробці титанового сплаву ВТ8 (стрілками позначено послідовність визначення параметрів шару, що зміцнюється і необхідної швидкості )

Встановлено, що після виконання наступної оздоблювально-зміцнювальної обробки значення шорсткості як з боку спинки, так і з боку корита профілю пера знижуються в порівнянні з попереднім ВШФ (рис. 10).

Рис. 10. Шорсткість поверхні спинки лопаток моноколеса (Ra, мкм) після різних методів оздоблювально-зміцнювальної обробки

Розподіл шорсткостей по поверхні корита (а) і спинки (б) пера лопатки осьового моноколеса після абразивно-рідинної обробки, яку виконано після чистового ВШФ, показано на рис. 11.

Рис. 11. Розподіл шорсткості (Ra, мкм) по поверхні корита (а) і спинки (б) пера лопатки після абразивно-рідинної обробки

Значення величин Rа, зазначених в_, показує значення шорсткості після чистового високошвидкісного фрезерування, а значення величин R_а, зазначені без _, показує значення шорсткості після абразивно-рідинної обробки.

Максимальний рівень стискаючих залишкових напружень спостерігається при використанні технології комбінованої зміцнювальної обробки - УЗЗ «стакан» + мікрокульки (рис. 12).



Рис. 12. Епюри залишкових напруг для різних технологій зміцнення

Максимальний ступінь наклепу спостерігається для зразків, зміцнених УЗЗ, а мінімальний - для АГД (табл. 1).

Таблиця 1

Ступінь наклепу поверхні після різних методів обробки

№	Вид обробки	Ступінь наклепу, %
1	Зразок УЗЗ (тор)	6,15
2	Зразок УЗЗ (стакан) + мікрокульки	18,05
3	Зразок АГД	5,60
4	Зразок УЗЗ (серійний)	12,59
5	Зразок ПДЗ мікрокулька	14,72
6	Зразок УЗЗ (стакан)	18,44
7	Зразок УЗЗ (стакан) + АГД	17,95
8	Зразок УЗЗ (тор) + мікрокульки	13,63

Мікроструктура лопаток після методів обробки являла собою зерна первинної б-фази і зерна вторинної в-фази (рис. 13).



Рис. 13. Мікроструктура поверхневого шару лопаток моноколеса після оздоблювально-зміцнювальної обробки х1200

Проведено модальний аналіз відцентрового моноколеса компресора допоміжної силової установки АИ-450МС з використанням методу кінцевих елементів у системі ANSYS 10. Для виконання модального аналізу використовували тривимірну твердотільну модель моноколеса.

Проведено експериментальні дослідження частот власних коливань довгих лопаток і полотна диска відцентрового моноколеса. Спектр частот власних коливань лопаток показано на рис.14.

Встановлено відповідність експериментального визначення частот з їх розрахунковими значеннями. Відносна величина погрішності не перевищує 4%. Статистична обробка отриманих результатів вказує як на стабільність властивостей матеріалу, так і на стабільність точності їх виготовлення.

Рис. 14. Ескізи форм власних коливань довгих лопаток відцентрового моноколеса компресора

Виконані дослідження впливу фінішної технології обробки лопаток моноколеса на циклічну довговічність показують, що максимальна її величина спостерігається в лопаток, оброблених за технологією комбінованого зміцнення: ультразвукове зміцнення сталевими кульками «стакан» + обробка скляними мікрокульками; ультразвукове зміцнення сталевими кульками «тор» + обробка скляними мікрокульками (рис.15):

Рис 15. Гістограма розподілу середнього числа циклів до руйнування зразків, залежно від технології оздоблювально-зміцнювальної обробки лопаток моноколеса

На підставі проведених досліджень розроблено технологічні рекомендації з механічної і оздоблювально-зміцнювальної обробок поверхневого шару несучих поверхонь моноколіс з титанових сплавів.

У технологічних рекомендаціях викладено основні вимоги і методи одержання заготовки моноколеса; зазначено послідовність виконання робіт, припуск, інструмент, режими фрезерування на чорновому, напівчистовому і чистовому етапах обробки.

Оздоблювально-зміцнювальний етап обробки проводять після чистового фрезерування. Зазначено матеріал, розміри і режими обробки сталевими кульками, а також параметри контролю при ультразвуковому зміцненні. поверхневий деформування моноколесо фрезерування

Після зміцнення сталевими кульками на УЗЗ проводять наступну обробку скляними мікрокульками. Представлено діаметр мікрокульок і режими обробки.

Роботу впроваджено у виробництво на ВАТ «Мотор Січ» з річним економічним ефектом 190755,2 грн.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації отримано нове рішення науково-прикладної задачі технологічного забезпечення характеристик якості несучих поверхонь осьових і відцентрових моноколіс компресора з титанових сплавів шляхом системного дослідження і установлення закономірностей їх формування при механічній і зміцнювальній обробках, а також розробки раціональної структури технологічного процесу їх виготовлення.

2. На основі комп'ютерного моделювання процесу формоутворення пера лопаток і проточної частини моноколіс розроблено технологію їх обробки високошвидкісним фрезеруванням зі значним зниженням рівня вібрацій за рахунок динамічного балансування оправки і фрези на двох рівнях, а також оптимізації режимів фрезерування шляхом мінімізації значень вихідних параметрів синтезованих нейросіткових моделей, що описують залежність середнього значення амплітуди отриманих сигналів від спільного впливу режимів фрезерування, що дозволило забезпечити задану точність і якість виготовлення.

3. Вперше експериментально встановлено, що при високошвидкісному фрезеруванні механізм виникнення вібрацій визначається співвідношенням періоду власних коливань оброблюваної деталі і величини часу різання кожного із зуб'ів фрези.

4. Вперше отримано систему аналітичних залежностей, на основі якої розроблено науково-обґрунтовану методику інженерного розрахунку, що встановлює послідовність визначення параметрів процесу динамічного зміцнення несучих поверхонь деталей поверхневим пластичним деформуванням, що дозволило призначати обґрунтовані режими поверхневої динамічної зміцнювальної обробки.

5. Експериментально встановлено, що після виконання наступної оздоблювально-зміцнювальної обробки значення шорсткості пера лопатки знижуються і підвищується її стабільність по його висоті в порівнянні з попереднім високошвидкісним фрезеруванням, а максимальний рівень залишкових стискаючих напружень безпосередньо на поверхні і їх мінімальний перепад між поверхнею і підшаровою областю спостерігається після виконання комбінованого зміцнення УЗЗ «стакан» + скляні мікрокульки.

6. Встановлено, з відносною величиною погрішності, яка не перевищує 4%, відповідність експериментально визначених власних частот довгих лопаток відцентрового моноколеса з їх розрахунковими значеннями, отриманими на основі виконаного методом кінцевих елементів модального аналізу, що вказує як на стабільність властивостей матеріалу, так і на стабільність точності їх формоутворення при виготовленні за запропонованою технологією.

7. Показано, що максимальна циклічна довговічність спостерігається в лопаток моноколіс, оброблених наступним комбінованим зміцненням: УЗЗ «стакан» + скляні мікрокульки, що забезпечило підвищення багато циклової втомленості і високу експлуатаційну надійність.

8. На підставі проведених досліджень розроблено технологічні рекомендації з механічної і оздоблювально-зміцнювальної обробок поверхневого шару несучих поверхонь моноколіс з титанових сплавів, що забезпечує раціональне сполучення характеристик їх поверхневого шару і приводить до підвищення несучої здатності колеса компресора.

Впровадження результатів роботи у виробництво дозволило одержати річний економічний ефект 190755,2 грн. з розрахунку на один пасажирський літак.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Особенности обработки деталей авиационных ГТД на станках с ЧПУ / В.А. Панасенко, С.А. Петров, С.В. Мозговой [и др.] // Вестник двигателестроения. - 2005. - №1. - С. 138-144.

Здобувачем проведено експериментальні дослідження обробки деталей на станках з ЧПК.

2. Формообразование сложнопрофильных поверхностей осевого моноколеса с широкохордными лопатками высокоскоростным фрезерованием / П.Д. Жеманюк, А.В. Богуслаев, С.В. Мозговой [и др.] // Вестник двигателестроения. - 2004. - №3. - С. 16-19.

Здобувачем проведено експериментальні дослідження обробки моноколеса високошвидкісним фрезеруванням.

3. Обработка проточных поверхностей моноколес высокоскоростным фрезерованием / П.Д. Жеманюк, А.В. Богуслаев, С.В. Мозговой [и др.] // Авиационно-космическая техника и технология. - 2004. - №7(15). - С.215-219.

Здобувачем проведено обробку експериментальних результатів досліджень.

4. Особенности колебаний деталей газотурбинных двигателей при высокоскоростном строчном фрезеровании / А.Я. Качан, Ю.Н. Внуков, С.В. Мозговой [и др.] // Вестник двигателестроения. - 2007. - №1. - С.69-76.

Здобувачем проведено експериментальні дослідження та обробку їх результатів.

5. Снижение вибраций в зоне обработки нежестких, тонкостенных деталей ГТД при высокоскоростном фрезеровании / А.Я. Качан, Д.В. Павленко, С.В. Мозговой [и др.] // Вестник двигателестроения. - 2007. - №1. - С.102-106.

Здобувачем виконано аналіз результатів досліджень.

6. Гавриленко Я.Н. Оптимизация режимов высокоскоростного фрезерования деталей из титановых сплавов / Я.Н. Гавриленко, С.В. Мозговой, Д.В. Павленко // Вестник двигателестроения. - 2006. - №1. - С.123-129.

Здобувачем виконано оптимізацію режимів обробки ВШФ.

7. Обеспечение несущей способности лопаток осевых моноколес высокоскоростным фрезерованим / А.В. Богуслаев, А.Я. Качан, С.В. Мозговой [и др.] // Вестник двигателестроения. - 2006. - №2. - С.17-19.

Здобувачем проведено експериментальні дослідження та обробку їх результатів.

8. Аналитический метод определения параметров процесса динамического упрочнения ППД / А.И. Попенко, А.В. Богуслаев, С.В. Мозговой [и др.] // Вестник двигателестроения. - 2005. - №1. - С. 89-98.

Здобувачем отримано залежності для визначення параметрів динамічного зміцнення.

9. Аналитическое определение оптимальной глубины пластически-деформированного слоя при упрочняющей обработке деталей ППД / А.И. Попенко, В.А. Богуслаев, С.В. Мозговой [и др.] // Вестник двигателестроения. - 2005. - №3. - С. 18-23.

Здобувачем отримано залежності для визначення глибини зміцнення.

10. Отделочно-упрочняющие технологии обработки моноколес современных газотурбинных двигателей / А.Я. Качан, А.В. Богуслаев, Д.В. Павленко, С.В. Мозговой// Вестник двигателестроения. - 2010. - №1. - С.81 - 90.

Здобувачем проведено експериментальні дослідження та обробку їх результатів

Усі публікації включають основні результати безпосередньої праці автора в процесі виконання теоретичних та експериментальних досліджень і відображають основні наукові положення і висновки роботи.

АНОТАЦІЯ

Мозговий С.В. Технологічне забезпечення якості несучих поверхонь моноколіс компресорів ГТД із титанових сплавів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2011.

Дисертацію присвячено технологічному забезпеченню якості несучих поверхонь осьових і відцентрових моноколіс компресорів ГТД із титанових сплавів шляхом розробки раціональної технології їх виготовлення на основі дослідження характеристик якості поверхневого шару після різних методів обробки.

Містить аналіз впливу технології виготовлення деталей ГТД із титанових сплавів на їх несучу здатність, а також методики дослідження характеристик якості поверхневого шару оброблених поверхонь і оцінки їхньої працездатності.

Представлено технологію високошвидкісного фрезерування (ВШФ) несучих поверхонь моноколіс, методи керування вектором фрези, особливості коливань деталі в зоні обробки. Показано основні методи зниження вібрацій деталі в зоні обробки при ВШФ, а також наведено оптимізацію режимів обробки. Визначено характеристики якості поверхневого шару несучих поверхонь моноколіс після ВШФ і проведено їх аналіз. Досліджено вплив сполучення ВШФ і оздоблювально-зміцнювальних методів на характеристики якості поверхневого шару несучих поверхонь моноколіс.

Показано, що максимальна величина довговічності спостерігається в лопаток, які оброблено за технологією ВШФ + комбіноване зміцнення: УЗЗ сталевими кульками + обробка скляними мікрокульками. Розроблено технологічні рекомендації і створено комплекс технічного і технологічного забезпечення.

Річний економічний ефект від впровадження результатів роботи на ВАТ «Мотор Січ» становить 190755,2 грн.

Ключові слова: осьове моноколесо, відцентрове моноколесо, компресор, високошвидкісне фрезерування, оздоблювально-зміцнювальна обробка, якість, титановий сплав, поверхневий шар, довговічність.

Мозговой С.В. Технологическое обеспечение качества несущих поверхностей моноколес компрессоров ГТД из титановых сплавов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 - проектирование, производство и испытание летательных аппаратов - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2011.

Диссертация посвящена технологическому обеспечению качества несущих поверхностей осевых и центробежных моноколес компрессоров ГТД из титановых сплавов путем разработки рациональной технологии их изготовления на основе исследования характеристик качества поверхностного слоя после различных методов обработки.

Рассмотрены технологические методы формообразования и отделочно-упрочняющей обработки лопаток моноколес с указанием их технологических возможностей. Определены основные направления проведения исследований. Описаны методики исследования характеристик качества несущих поверхностей осевых и центробежных моноколес из титановых сплавов и оценки их работоспособности.

Представлена технология высокоскоростного фрезерования (ВСФ) несущих поверхностей моноколес. В частности, представлены и проанализированы технологические возможности методов управления вектором фрезы для пятикоординатной обработки несущих поверхностей моноколес. По результатам экспериментальных исследований выявлены особенности колебаний детали при ВСФ, а также показана возможность снижения вибраций в зоне обработки за счет динамической балансировки оправки и фрезы на двух уровнях.

Установлено также, что эффективным методом снижения вибраций в зоне обработки является оптимизация режимов ВСФ по уровню вибраций. Проведен поиск оптимальных значений параметров режимов резания с применением нейросетевых моделей, описывающих зависимость среднего значения амплитуды полученных сигналов вибрации детали от совместного влияния режимов ВСФ.

Проведена оптимизация режимов ВСФ с применением метода линейной оптимизации. Исследованы характеристики качества поверхностного слоя несущих поверхностей осевых и центробежных моноколес после ВСФ. Установлено, что после ВСФ фактическое отклонение профиля пера от теоретического значения составляет 0,0221 мм и соответствует середине поля допуска.

После чистового ВСФ в поверхностном слое пера лопатки образуются остаточные напряжения сжатия 212…260 МПа с глубиной распространения до 30…50 мкм.

Шероховатость обработанных поверхностей пера лопатки осевого моноколеса неравномерная и находится в диапазоне R_ср = 0,386…0,740 мкм. Микроструктура поверхностного слоя лопатки равноосная, состоящая из и фаз.

В частности, получены аналитические зависимости для определения параметров процесса динамического упрочнения поверхностным пластическим деформированием. Разработана методика инженерного расчета, содержащая номограмму для определения параметров упрочненного слоя. Установлены шероховатость, остаточные напряжения, микротвердость, микроструктура поверхностного слоя после различных методов отделочно-упрочняющей обработки, выполненных после ВСФ, а также собственные частоты колебаний деталей.

Выполнена оценка сочетания ВСФ и отделочно-упрочняющей обработки моноколес на циклическую долговечность. Показано, что максимальная величина долговечности наблюдается у лопаток, обработанных по технологии ВСФ + комбинированное упрочнение: УЗУ стальными шариками + обработка стеклянными микрошариками.

Разработаны технологические рекомендации по механической и отделочно-упрочняющей обработке, а также создан комплекс технического и технологического обеспечения.

Внедрение результатов работы обеспечило повышение долговечности в 1,8…2,0 раза по сравнению с серийной технологией. Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы на ОАО «Мотор Сич» составляет 190755,2 грн.

Ключевые слова: осевое моноколесо, центробежное моноколесо, компрессор, высокоскоростное фрезерование, отделочно-упрочняющая обработка, качество, титановый сплав, поверхностный слой, долговечность.

Mozgovoy S.V. Technological assurance of quality of load-bearing surfaces of titanium-alloy blisks for gas turbine engine compressors. - Manuscript

Thesis for a candidate degree in technical sciences at speciality 05.07.02 - aircraft design, manufacture, and testing. Zhukovsky National Aerospace University, Kharkov Aviation Institute, Kharkov, 2011.

The thesis is dedicated to technological assurance of characteristics of quality of load-bearing surfaces of titanium-alloy axial and centrifugal blisks for gas turbine engine compressors by developing an optimal blisk manufacture process on basis of investigating its surface layer quality characteristics after applying various machining types.

The thesis analyses the influence of the process of manufacturing titanium-alloy gas turbine engine parts to their load-bearing capacity; also it provides techniques of investigating characteristics of quality of the surface layer of surfaces machined, and those of evaluating their operability.

The process of high-speed milling (HSM) of load-bearing blisk surfaces is provided, as well as mill vector control techniques and particularities of part oscillation in the machining region. The main techniques of reducing part vibration in the machining region by HSM are demonstrated as well as optimization of machining modes. The characteristics of quality of the surface layer of load-bearing blisk surfaces after HSM are determined and analyzed.

It is shown that the maximum longevity is observed in blades machined by HSM + combined surface hardening (ultrasound steel ball hardening + glass bead hardening). Technological recommendations are developed as well as an engineering and technological support package.

Annual saving rate of introducing the results of this study at Motor Sich JSC is UAH 190755,2.

Key words: axial blisk, centrifugal blisk, compressor, high-speed milling, finishing and hardening treatment, quality, titanium alloy, superficial layer.

Размещено на Allbest.ru

...