Забезпечення параметрів якості порожнистих валів ГТД технологічними методами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Український науково-дослідний інститут авіаційної технології

УДК 621.452.3.03.004

Забезпечення параметрів якості порожнистих валів ГТД технологічними методами

Спеціальність 05.07.04 - Технологія виробництва літальних апаратів

Автореферат

дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Мозговий Володимир Федорович

Київ 2002

Дисертація є рукопис

Робота виконана у Відкритому акціонерному товаристві „Мотор Січ” Міністерства промислової політики України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Богуслав В'ячеслав Олександрович, Відкрите акціонерне товариство „Мотор Січ”, генеральний директор

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Бобир Микола Іванович, Національний технічний університет України „КПІ”, директор Механіко-машинобудівного інституту

доктор технічних наук, професор Борисович Володимир Карпович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського „ХАІ”, директор Міжнародного НДІ нових технологій і матеріалів

Провідна установа:

ДП Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування Міністерства промислової політики України, м. Харків, науково-дослідний відділ

Захисти відбудеться „ 05” „ грудня ” 2002 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.839.01 в Українському науково-дослідному інституті авіаційної технології за адресою: 04080, м. Київ-80, вул. Фрунзе, 19-21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Українського науково-дослідного інституту авіаційної технології.

Автореферат розісланий „ 04 „ листопада 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н. В.А. Тітов

порожнистий вал двигун полірувальний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вали газотурбінних двигунів (ГТД) є найбільш відповідальними і важко навантаженими деталями, що визначають надійність, ресурс і безпеку польотів літаків і вертольотів.

Вали ГТД експлуатуються в умовах значних знакозмінних і циклічних навантажень при високих частотах обертання, тому найбільш значущою серед інших експлуатаційних характеристик є опір втомленості, обумовлений параметрами якості цих деталей.

Параметри якості порожнистих валів визначаються не тільки раціональною конструкцією і якістю матеріалу, але значною мірою технологією виготовлення, особливо на фінішних, зміцнюючих операціях.

Великий вклад в підвищення витривалості деталей внесли роботи Біргера І.А., Богуслаєва В.О., Євстігнєєва М.І., Кудрявцева І.В., Пєтухова О.І., Серенсена С.В., Суліми А.М., Трощенка В.Т., Хворостухіна Л.О., Чепи П.О., Ящерицина П.І., Яценка В.К. та ін.

Однак, в цей час на фінішних операціях технологічних процесів виготов-лення валів ГТД в основному застосовуються немеханізовані методи їхньої оздоблювальної обробки, відсутнє необхідне технологічне устаткування. З опублікованих досліджень однозначно не випливає, які найбільш раціональні варіанти технології виготовлення до різних груп валів варто застосовувати, щоб забезпечити максимально можливу границю витривалості.

Тому забезпечення параметрів якості порожнистих валів ГТД у процесі виготовлення технологічними методами є важливою й актуальною науково-технічною задачею сучасного авіадвигунобудування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертації автор одержав при виконанні цільових комплексних програм МАП, науково-технічних програм Міністерства машинобудування, ВПК і конверсії України: (“Розвиток авіаційного комплексу України до 2000 р.”, “Технологія-96”, “Наука-2000”), “Державної комплексної програми розвитку авіаційної промисловості України до 2010 р.” (Постанова Кабінету Міністрів України від 12.12.2001 року № 1665-25) і Галузевої Науково-технічної програми “Продукція авіаційної промисловості”.

У дисертації узагальнений більш ніж п'ятнадцятирічний досвід роботи автора в розробці прогресивних комплексних технологічних процесів, що забезпечують підвищення параметрів якості валів ГТД.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є забезпечення параметрів якості порожнистих валів ГТД шляхом створення технологічних методів і засобів для формування фізико-механічних і геометричних характеристик поверхневого шару стінок валів на фінішних полірувально-зміцнюючих операціях процесу виготовлення з урахуванням технологічної спадковості для підвищення їхнього опору втомленості.

Задачі досліджень:

· класифікація валів ГТД для уніфікації структури основних операцій технологічних процесів їхнього виготовлення;

· дослідження впливу технологічної спадковості основних операцій типового технологічного процесу виготовлення валів роторів ГТД на параметри якості поверхневого шару;

· розробка математичної моделі нового процесу полірувально-зміцнюючої обробки внутрішніх поверхонь порожнистих валів вільним абразивом із застосуванням повітряних струменів і її теоретичне дослідження;

· розробка узагальненої математичної моделі і методики визначення основних параметрів технологічного процесу одночасної двосторонньої полірувально-зміцнюючої обробки поверхонь стінок порожнистих тонкостінних валів вільним абразивом;

· експериментальне дослідження процесу фінішної обробки вільним абразивом, по визначенню впливу технологічних умов, режимів і технологічної спадковості попередніх операцій на параметри якості поверхневого шару зовнішніх і внутрішніх поверхонь стінок валів ГТД та границі їх витривалості;

· математичне моделювання процесу алмазного вигладжування, розробка методик аналітичного розрахунку технологічних режимів процесу обробки і залишкових напруг у поверхневому шарі стінок валів ГТД;

· експериментальні дослідження процесу алмазного вигладжування по визначенню впливу технологічних умов і режимів обробки на параметри якості валів ГТД та границі їх витривалості;

· розробка і впровадження галузевих технологічних рекомендацій, технологічного оснащення та устаткування для фінішної полірувально-зміцнюючої обробки валів роторів ГТД.

Об'єкт дослідження. Типові представники порожнистих валів компресора високого тиску (КВТ) і ротора вентилятора ГТД, а також фінішні технологічні операції: полірувально-зміцнююча обробка в псевдозрідженому абразиві та алмазне вигладжування.

Предмет дослідження - встановлення закономірностей формування параметрів якості (шорсткості і фізико-механічних властивостей) поверхневих шарів у залежності від складу операцій технології виготовлення і режимів фінішної обробки, що істотно впливають на опір втомленості стінок особливо відповідальних і важконавантажених порожнистих валів ГТД.

Методи дослідження. Виконані дослідження базуються на використанні методів теорії ймовірності та математичної статистики для обробки результатів випробувань і побудови кореляційних залежностей; загальних рівнянь механіки суцільних середовищ та теорії пластичної течії металів; енергетичних принципах деформування та пружної поведінки суцільних середовищ для опису й розрахунку параметрів напружено-деформованого стану поверхневого шару при обробці алмазним вигладжуванням. Вирішення досліджуваних задач реалізоване на ПЕОМ із використанням чисельних методів обчислювальної математики.

Вірогідність розроблених методик аналітичного розрахунку параметрів технологічного процесу і якості валів ГТД підтверджено результатами експериментальних досліджень: методами рентгеноструктурного та металографічного дослідження структурно-фазових змін поверхневого шару при полірувально-зміцнюючій обробці; методами механіки матеріалів для дослідження механічних властивостей (залишкових напруг, границь текучості, міцності, витривалості).

Експериментальна частина технологічних досліджень проводилася на спеціально розроблених установках із використанням сучасної контрольно-вимірювальної апаратури.

Наукова новизна одержаних результатів.

1.Уперше на підставі системного аналізу напружено-деформованого стану поверхневого шару, який оптимізовано на основі екстремальних енергетичних принципів і результатів експериментальних досліджень, здійснено системний, науково-обґрунтований підхід при реалізації методів і засобів технічного забезпечення параметрів якості порожнистих валів ГТД, що враховує особливості формування параметрів поверхневого шару у взаємозв'язку з послідовністю операцій і режимами технологічної обробки та забезпечує підвищення їхнього опору втомленості.

2.Експериментально встановлено ступінь впливу операцій технологічної обробки (точіння, шліфування, полірувально-зміцнюючої обробки) у вигляді емпіричних залежностей на параметри якості валів ГТД (шорсткість поверхні, напружено-деформований стан), що дозволило визначити й обґрунтувати основні шляхи підвищення їх опору втомленості.

3. Розроблено математичну модель і отримано аналітичні залежності, які зв'язують основні параметри технологічного процесу одночасної обробки вільним абразивом у псевдозрідженому стані із застосуванням повітряних струменів зовнішніх і внутрішніх поверхонь порожнистих тонкостінних валів ГТД із параметрами якості поверхневого шару їх стінок, що дозволяє прогнозувати експлуатаційні параметри.

4.З урахуванням технологічної спадковості встановлено раціональне поєднання режимів і технологічних операцій комплексного технологічного процесу виготовлення валів ГТД, який включає формоутворюючу і полірувально-зміцнюючу обробку зовнішніх і внутрішніх поверхонь вільним абразивом або алмазним вигладжуванням, що дозволило забезпечити необхідний рівень їхньої границі витривалості.

5.Розроблено й експериментально обґрунтовано математичну модель процесу алмазного вигладжування, що заснована на закономірностях взаємодії сферичного алмазного наконечника з нескінченною напівплощиною металу, враховує реальну площадку контакту інструмента й деталі в сталому режимі вигладжування, а також характерний закон розподілу швидкості переміщення часток металу в залежності від лінійної швидкості обробки деталі.

6.Розроблено методики розрахунку параметрів технологічного процесу вигладжування та оцінки механічного стану поверхневого деформованого шару тонкостінних валів. Використання екстремальних енергетичних принципів процесів деформування й розвантаження дозволило забезпечити точність визначення енергосилових технологічних параметрів і напружено-деформованого стану поверхневого шару після обробки. Теоретично виявлено і експериментально обґрунтовано механізм впливу технологічних параметрів, які що визначають глибину зміцнення й величину залишкових напруг, на особливості зародження тріщин від втомленості і витривалість валів ГТД.

Практичне значення одержаних результатів

1. На підставі одержаних наукових результатів створено комплекс технічного і розрахунково-методичного забезпечення для проектування та реалізації технологічних процесів виготовлення валів ГТД із високими експлуатаційними характеристиками, що включає:

- нові технологічні процеси виготовлення валів роторів ГТД, що підвищують як продуктивність обробки, так і їх якість - витривалість;

- пакети прикладних програм розрахунку технологічних режимів обробки, що реалізують методики розрахунку і забезпечують параметри якості валів ГТД;

- галузеві технологічні рекомендації з фінішної обробки валів ГТД алмазним вигладжуванням (ГРЗ-010-2001) і вільним абразивом (ГРЗ-009-2001), що скорочує терміни освоєння нових виробів на 1...3 роки;

- спеціалізоване технологічне устаткування для фінішної полірувально-зміцнюючої обробки валів ГТД ТВ3-117, Д-36 і Д18-Т, яке впроваджено у виробництво на ВАТ “Мотор Січ”.

2. Впровадження результатів роботи забезпечило підвищення границі витривалості валів двигунів на 30...45%, що підвищило їхній ресурс і надійність.

3. Економічний ефект від підвищення опору втомленості стінок валів ГТД і зниження трудомісткості їхнього виготовлення на ВАТ “Мотор Січ” складає 197 тис. грн. за рік на один виріб.

4. Використання конструкторської і технологічної документації,яку розроблено за результатами роботи, передбачено на інших машинобудівних заводах, у тому числі на підприємствах авіаційної промисловості Російської Федерації та ін.

Особистий внесок здобувача

Основна частина наукових і технологічних розробок, теоретичних і експериментальних досліджень належить особисто автору.

Постановку задач та обговорення наукових результатів виконано разом з науковим керівником і частково зі співавторами публікацій.

При створенні нового полірувально-зміцнюючого устаткування автор розробив його технічне завдання і безпосередньо брав участь у відпрацьовуванні його службових характеристик, що забезпечують необхідні параметри якості оброблюваних валів ГТД.

Апробація результатів дисертації.

Основні наукові результати роботи були повідомлені й обговорювалися на V і VI міжнародних конгресах двигунобудівників України “Авіаційно-космічна техніка і технологія” (Крим, 2000 і 2001 рр.); 15-ій щорічній міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології в машинобудуванні” (м. Одеса, 2000 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми теорії і практики технології машинобудування, механічної і фізико-технічної обробки” (м. Харків, 2000 р.); Міжнародній конференції “Нові технології, методи обробки і зміцнення деталей енергетичних установок” (м. Запоріжжя, 2000 р.); 6-ому міжнародному науково-технічному симпозіумі “Авіаційні технології XXI століття: нові рубежі авіаційної науки” (у рамках міжнародного авіасалону МАКС-2001, м. Жуковський, Росія).

Дисертація повністю доповідалася й одержала позитивну оцінку на засіданнях наукового семінару кафедри “Технологія виробництва авіадвигунів” Національного аерокосмічного університету “ХАІ” (2002 р.) і науково-технічній раді Українського науково-дослідного інституту авіаційної технології (2002 р.).

Публікації.

Результати виконаних досліджень опубліковано в одній монографії, 15 статтях друкованих видань і 2 нормативних документах, у тому числі 13 статей у наукових спеціальних виданнях які затверджено ВАК України.

Структура й обсяг дисертації.

Дисертаційна робота складається з передмови, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел інформації і додатків. Роботу виконано комп'ютерним набором в обсязі 324 сторінок, вона містить 144 ілюстрації, 53 таблиці, додатків на 3 сторінках і 140 використаних літературних джерел на 13 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичне значення результатів, які отримано при виконанні роботи, приведено інформацію з апробації, структури й обсягу роботи.

У першому розділі проведено аналіз відомих по літературним джерелам і з досвіду авіадвигунобудування технологічних методів і експериментальних досліджень, які спрямовано на підвищення витривалості валів роторів ГТД.

Проаналізовано вплив основних технологічних операцій виготовлення валів: точіння, шліфування, полірування і зміцнення на параметри якості поверхневого шару зовнішніх і внутрішніх поверхонь їхніх стінок.

Проведено аналіз факторів, що істотно впливають на границю витривалості валів ГТД. Встановлено, що значення показників механічної міцності валів, які зміцнюються різними технологічними методами обробки, істотно розрізняються.

Аналіз літературних і виробничих даних дозволив виявити основні наукові напрямки вирішення актуальної науково-технічної проблеми підвищення витривалості валів ГТД, які в даний час вивчено недостатньо системно, відсутні необхідні теоретичні й експериментальні дослідження.

Виконаний аналіз дозволив зробити узагальнюючі висновки і на їхній основі сформулювати задачі, які необхідно було вирішити для досягнення поставленої мети.

В другому розділі представлено загальну методологію роботи, що містить методики проведення теоретичних і експериментальних досліджень технологіч-них методів фінішно-зміцнюючої обробки валів ГТД.

Методика і план експериментальних досліджень операцій серійного технологічного процесу виготовлення валів містять:

– математичну модель процесу;

– основні фактори, що підлягають дослідженню;

– матрицю планування експериментів;

– опис зразків і заготовок валів;

– матрицю проведення досліджень впливу технологічної спадковості операцій технологічного процесу виготовлення валів КВТ на їхню якість;

– опис гами приладів, спеціальних стендів, установок і оснащення для виміру шорсткості поверхонь, визначення залишкових напруг, випробування на втомленість, досліджень механічних властивостей зразків і тривалої міцності.

Математична модель процесу задавалася в загальному вигляді векторним рівнянням

,

де - вектор основних факторів процесу; - вектор показників, що впливають на основні фактори процесу.

Для виявлення математичних залежностей було використано метод кореляційно-регресійного аналізу. Адекватність прийнятих моделей перевірялася за критерієм Фішера

,

а оцінка значимості коефіцієнтів регресії проводилась за допомогою критерію Стьюдента.

Для дослідження процесу полірувально-зміцнюючої обробки валів вільним абразивним зерном розроблено і використано:

методика досліджень процесу обробки зовнішніх поверхонь стінок валів;

методика досліджень процесу обробки внутрішніх поверхонь валів;

методика дослідження процесу одночасної двосторонньої обробки поверхонь стінок валів.

Дослідження виконано на спеціально створеній експериментальній установці з використанням виготовлених зразків валів.

Методика експериментальних досліджень алмазного вигладжування валів встановлює:

основні режими й умови обробки;

контрольовані параметри якості;

методи досліджень;

конструкцію основних типів зразків і фрагментів валів, що підлягають дослідженню;

устаткування і технологічне оснащення;

методи і лабораторне устаткування для визначення механічних характеристик.

У третьому розділі виконано експериментальне дослідження впливу технологічної спадковості операцій технологічного процесу обробки: точіння (Т), шліфування (Ш) й електрохімічного полірування (ЕХП) на експлуатаційні якості валів ГТД. Встановлено, що експлуатаційні параметри якості валів, що виготовлено по типовим серійним технологіям, істотно відрізняються.

Для забезпечення стабільності цих параметрів, уніфікації структури операцій технологічних процесів розроблено конструктивно-технологічний класифікатор валів ГТД, що включає три групи: довгомірні, тонкостінні і проміжні. Подальші дослідження виконано для груп валів двигунів Д-36, технологічний процес виготовлення яких відрізняється на етапі фінішної операції - полірувально-зміцнюючої обробки:

- довгомірних валів ротора вентилятора - алмазним вигладжуванням;

- тонкостінних валів ротора КВТ - новим (розробленим) способом обробки в псевдозрідженому шарі абразиву (ПША) з використанням повітряних струменів.

Експериментально визначено вплив основних технологічних параметрів процесу точіння (швидкості різання, подачі, переднього кута різця і його зносу) валів КВТ зі сплаву ЭИ437БУ-ВД на параметри якості: шорсткість, мікротвердість, мікроструктуру, ступінь і глибину наклепу, а також на осьові і тангенціальні залишкові напруги. Для прийнятого діапазону режимів процесу різання встановлено залежності зміни характеристик якості поверхневого шару.

Дослідження валів проведено також після точіння з наступним шліфуванням

(Т + Ш) і точіння з наступним шліфуванням і електрохімічною обробкою (Т + Ш + ЕХП). Вони дозволили виявити вплив технологічної спадковості на характеристики якості поверхневого шару і границю витривалості.

Т валів створює на поверхні розтягуючи осьові залишкові напруги, Т + Ш супроводжується утворенням як стискаючих, так і розтягуючих напруг, а залишкові напруги розтягування після Т + Ш + ЕХП у залежності від вихідних напруг, що утворюються на попередній операції, мають істотний розкид (табл. 1).

Таблиця 1

Параметри якості валів КВТ ГТД (матеріал ЭИ437БУ-ВД), які оброблено за серійною технологією

Вид обробки	Режими обробки	Шорсткість	Залишкові напруги,	Границя витривалості
Т	;.	0,8…2,0	+54…+350	220…280
Т + Ш	; ; .	0,5…0,6	+300…-300	240…320
Т + Ш + +ЕХП	I = 1300 A; t = 25 хв.	0,20…0,22	+270…-170	180…280

Встановлено, що прояв технологічної спадковості після механічної обробки за серійною технологією виготовлення тонкостінних валів зі сплаву ЭИ437БУ-ВД характеризується недостатніми рівнями границі витривалості, тривалої міцності та інших механічних характеристик. Границя витривалості валів по величині невисока і має великий розкид: після МПа, після МПа, після МПа (див. табл. 1). Це обумовлено значною нестабільністю механічних характеристик поверхневого шару валів як після кожної з цих операцій, так і після проведення всього технологічного циклу. При цьому основними впливаючими параметрами якості поверхневого шару валів є залишкові напруги стиску, наклеп і величина мікронерівностей.

Встановлено математичні моделі залежності схильності до утворення дефектів на валах ротора КВТ від їхніх механічних властивостей (границі міцності - _у, відносного подовження - , відносного звуження - , діаметру відбитку - d_отп, ударної в'язкості - a_к), значення яких визначено в процесі виготовлення з урахуванням технологічної спадковості операцій (табл. 2).



Таблиця 2

Результати регресійного аналізу

Дослідження	Рівняння регресії
Фактори	Величини
ак штампування	S2/S2ост=1,9 R=0,69	у = 3,65+3,42 ак - 0,24 (ак)2
dотп штампування	S2/S2ост=1,91 R=0,69	у = -1726 + 979dотп - 137 (dотп )2
в вала	S2/S2ост=2,06 R=0,78	у =135,73-25,76 ln в
вала	S2/S2ост=1,87 R=0,61	у =18,92 - 0,19
вала	S2/S2ост=2,14 R=0,79	у = 21,12 - 0,25
ак вала	S2/S2ост=1,99 R=0,7	у = 16,41 - 0,004 ак3

У результаті аналізу експериментальних результатів дослідження впливу технологічної спадковості на експлуатаційні властивості валів установлено необхідність розробки нових і удосконалення існуючих оздоблювально-зміцнюючих фінішних технологічних операцій, які забезпечують в обробленому поверхневому шарі необхідне сполучення і стабілізацію параметрів якості, що істотно підвищують основну експлуатаційну характеристику валів - границю їх витривалості.

Четвертий розділ присвячено теоретичному та експериментальному дослідженню розробленого нового технологічного процесу полірувально-зміцнюючої одночасної двосторонньої обробки обох поверхонь стінок порожнистих валів КВТ ГТД вільним абразивом, відповідно до якого зовнішні поверхні обертового вала обробляються в псевдозрідженому (“киплячому”) шарі абразиву, а внутрішні - тим же абразивним середовищем, що надходить у порожнину вала з “киплячого” шару, при впливі на неї повітряними струменями з безежекторних сопел, що розміщені усередині вала (рис. 1).

Відповідно до розроблених теоретичних моделей обробки зовнішніх і внутрішніх поверхонь валів встановлено функціональні зв'язки між вихідними параметрами процесу (швидкість лінійного знімання q, шорсткість оброблених поверхонь, залишкові напруги і глибина їхнього поширення , ступінь наклепу , границя витривалості ) та вхідними геометричними, фізичними, кінематичними і динамічними параметрами оброблюваної деталі ( ), абразивного середовища ( ) і повітряних струменів ( ):

- для зовнішніх поверхонь:

- для внутрішніх поверхонь:

де - радіус, колова швидкість обертання і глибина занурення вала в “киплячий” шар абразиву;

- діаметр зерна, насипна щільність абразиву, коефіцієнт тертя по оброблюваному матеріалу;

- швидкість повітря в переріз робочої камери і його щільність; ширина сопла і кут його установки; відстань від зрізу сопла до оброблюваної поверхні; абсолютний тиск перед соплом.

У результаті аналізу моделі (2) обробки внутрішніх поверхонь валів встановлено, що фізичні взаємозв'язки і кількісні співвідношення між окремими вхідними факторами , що характеризують процес, можуть бути виражені через узагальнені параметри тиску і безрозмірні параметричні критерії . Вони взаємозалежні між собою і можуть бути виражені через параметр безрозмірного тиску :

де - тиск абразиву на оброблювані поверхні від дії відцентрових сил; динамічний тиск на осі струменя в зоні обробки, який необхідний для перемі-щення абразиву щодо поверхні, і динамічний тиск на зрізі сопла в процесі обробки:

-

безрозмірна відстань установки сопла; максимальна ефективна ширина повітряного струменя; відстань від зрізу сопла, при якому забезпечується максимальна ефективна ширина струменя в зоні обробки; довжина початкової ділянки повітряного струменя.

З урахуванням установлених закономірностей при абсолютному тиску вихідні параметри процесу обробки внутрішніх поверхонь престав-лено у вигляді залежності від двох вхідних параметрів - тиску перед соплом і зернистості абразиву:

Необхідне значення абсолютного тиску перед соплом встановлюється аналітично:

де - коефіцієнт витрати сопла ( = 0,7...0,8);

- коефіцієнт втрат кінетичної енергії на виході струменя із сопла

( = 0,05... 0,10).

На основі запропонованої моделі розроблено методику визначення технологічних умов обробки внутрішніх поверхонь валів.

За результатами теоретичних і експериментальних досліджень установлено раціональні режими, що забезпечують необхідні експлуатаційні характеристики валів при високій продуктивності відпрацювання.

Після обробки в ПША незалежно від виду попередніх операцій і їхніх сполучень (Т; Т + Ш; Т + Ш + ЕХП ), тобто від величини і знака вихідних залишкових напруг, у всіх випадках створюються стискаючі залишкові напруги з максимумом на поверхні величиною (рис. 2).

Полірувально-зміцнююча одночасна двостороння обробка тонкостінних валів КВТ ГТД вільним абразивом підвищує границю витривалості до 30% у порівнянні із серійним технологічним процесом при зменшенні трудомісткості фінішних операцій в 2,1...2,3 рази (табл. 3).

У п'ятому розділі виконано теоретичні й експериментальні дослідження фінішної операції обробки алмазним вигладжуванням і виявлено вплив її технологічних режимів на забезпечення якості і опір втомленості валів ГТД.

Математична модель процесу алмазного вигладжування базується на основних закономірностях статичної взаємодії сферичного наконечника з деталлю і враховує характерний закон розподілу швидкості переміщення часток у залежності від лінійної швидкості обробки:

де - компоненти швидкості деформації часток металу в зоні регулярного контакту; V - швидкість обробки деталі; - період часу протікання процесу деформації для одиничної зони регулярного контакту; R - радіус сферичного індентора.

У кінематичних залежностях (7) коефіцієнт k установлює зв'язок глибини поширення деформацій h з радіусом контактної зони лінійною залежністю h=k. Розміри зони деформацій у металі встановлюються з використанням принципу мінімуму роботи деформації:



- відповідно інтенсивності напруг і швидкостей деформацій.

Таблиця 3

Результати випробувань на втомленість, дослідження залишковихнапруг і шорсткості поверхонь зразків з валів КВТ

№№ валів	Вид обробки	Режими обробки в ПША	Шорсткість Rа, мкм	Границя витривалості -1, МПа	Середн. значення -1, МПа	Середн. відхилення -1, %	Залишк. Напруження ост, МПа
1511В	Т+Ш+ ЕХП + ПША	VД = 23 м/с; Абразивне зерно 14А63/80 Час обробки: 6 хв	0,34	260	-	-	-350
1Б 1В 1610В	Т+ПША	VД = 23 м/с; Абразивне зерно 14А32/40 Час обробки: 30 хв	0,5…0,6 0,5…0,6 0,5…0,6	320 340 320		+4% -2%	-390 -400 -410
854В 1А 1602В	Т+Ш+ПША	VД = 23 м/с; Абразивне зерно 14А32/40 Час обробки: 15 хв	0,3…0,4 0,3…0,4 0,3…0,4	360 380 360		+3,5% -2,0%	-350 -370 -350

Математична модель, що включає кінематичні (7) і фізичні (8) рівняння, цілком визначає напружено-деформований стан в області взаємодії сферичного наконечника з деталлю (рис. 3). Отримані результати добре узгоджуються з чисельним експериментом методом кінцевих елементів (рис.4 і 5) і експериментальними результатами.

Запропонована методика розрахунку зусилля вигладжування для стійкого процесу обробки враховує реальну поверхню контакту інструмента з деталлю в сталому режимі алмазного вигладжування



де - параметр площі дії питомого зусилля в залежності від координати кута в проекції контакту ;

Чисельним моделюванням і експериментальними дослідженнями показано, що похибка визначення зусилля при алмазному вигладжуванні не перевищує 10...15% (рис. 6).

Методика визначення залишкових напруг в деталі заснована на енергетич-ному принципі відновлення поверхневого шару під дією потенційної енергії сил пружних складових деформацій.

Аналіз процесу проведено у системі узагальнених координат q_i,яка харак-теризується тим, що при їхньому нульовому значенні система має мінімум енергії. Показано, що для процесу вигладжування матеріалів, що володіють визначеною сукупністю геометричних параметрів і фізико-механічних властивостей - , величина функції розподілу пружної енергії Y₀ залежить від перемінного параметра H - величини заглиблення сферичного наконечника. При цьому узагальнена координата чисельно дорівнює зміні величини заглиблення наконечника щодо рівноважного положення, величина якого визначається рівнянням:



де v - об'єм заготовки.

Значення величини функції розподілу пружної енергії в рівноважному стані визначає величину інтенсивності залишкових напруг у матеріалі деталі

де Е і - модуль пружності і коефіцієнт Пуассона матеріалу деталей.

На підставі розрахунку залишкових напруг для обробки алмазним вигладжуванням деталей зі сталі Х12НМБФ-Ш із режимами зусилля 150 Н і по-перечної подачі - 0,15 мм/об показано, що в інтервалі значень глибини залягання 200...350 мкм аналітично отримані залишкові напруги по величині, практично, збігаються з експериментальними значеннями.

Експериментальні дослідження якості поверхні показали, що в процесі алмазного вигладжування шорсткість поверхні знижується зі зменшенням величини подачі інструмента і знаходиться в діапазоні 0,8R_а0,4 мкм. При цьому

Показано, що границя витривалості для досліджуваних зразків у більшому ступені залежить від зусилля вигладжування і кількості проходів інструмента по поверхні деталі, у меншому ступені залежить від подачі інструмента і швидкості обробки. Встановлено, що найбільш ефективне підвищення границі витривалості матеріалу деталей на 43...57% забезпечують наступні технологічні режими: швидкість вигладжування до 120...150 м/хв; поздовжня подача інструмента 0,08...0,15 мм/об; зусилля вигладжування алмаза радіусом сфери 2,5 мм - 100…150 Н. При цьому досягаються шорсткість поверхні деталей не більш R_а = 0,8...0,4 мкм.

У шостому розділі описано основні результати розробки, освоєння і впровадження технології полірувально-зміцнюючої обробки валів ГТД, приведено основні технічні характеристики розробленого технологічного устаткування.

Результати виконаних досліджень використано на всіх етапах опрацювання конструкторської документації, проектування і супроводження у виробництві технологічних процесів виготовлення порожнистих валів ГТД. Вони знайшли відображення в галузевих технологічних рекомендаціях ГРЗ-009-2001 і ГРЗ-010-2001 для конструкторів і технологів ДКБ, дослідних та серійних авіа- і двигунобудівних, а також ремонтних заводів.

Впровадження розроблених технологічного устаткування, нових технологічних процесів і технологічних рекомендацій дозволило:

· у 2,1...2,3 рази підвищити продуктивність на фінішних операціях обробки валів ГТД;

· знизити собівартість виготовлення валів;

· підвищити границю витривалості валів на 30...45% у порівнянні із серійним;

· гарантувати стабільні параметри якості порожнистих валів ГТД;

· одержати річний економічний ефект - 197 тис. грн. на один виріб.

Розвиток отриманих результатів передбачено в рамках Державної комплексної програми розвитку авіаційної промисловості України до 2010 року в напрямку розширення типів і класів оброблюваних деталей, удосконалення засобів реалізації технологічних процесів.

У додатку до дисертації є акти впровадження розробок.

ВИСНОВКИ

1. Науково обґрунтовано і вирішено прикладну науково-технічну задачу забезпечення параметрів якості порожнистих валів ГТД шляхом створення технологічних методів і засобів для формування фізико-механічних і геометричних характеристик поверхневого шару зовнішніх і внутрішніх поверхонь стін на фінішних полірувально-зміцнюючих операціях процесу виготовлення з урахуванням технологічної спадковості, що підвищують їхній опір втомленості.

2. Прийнятий у роботі науковий підхід до ефективного забезпечення параметрів якості виготовлення порожнистих тонкостінних валів ГТД здійснено на основі уявлення про технологічний процес їх виготовлення як про складну систему перетворень вихідної заготовки, що поєднує механічну формоутворюючу обробку і поверхневе пластичне деформування по формуванню геометричних, фізико-механічних і структурних показників якості її зовнішніх і внутрішніх поверхонь, що оцінюється інтегральними критеріями якості виготовлення вала - границями витривалості та тривалої міцності.

3. На основі проведених системних теоретичних і експериментальних досліджень, що враховують конструктивно-технологічні особливості валів, технологічну спадковість операцій процесу виготовлення і комплекс параметрів якості поверхневого шару заготовки при формозміні, виявлено, що підвищення витривалості і тривалої міцності порожнистих валів найбільш ефективно досягається при обробці на фінішних полірувально-зміцнюючих операціях: для тонкостінних нежорстких валів - одночасною обробкою зовнішньої і внутрішньої поверхонь стінки - вільним абразивом, а для довгомірних східчастих і жорстких валів - алмазним вигладжуванням.

4. Розроблено математичну модель процесу полірувально-зміцнюючої одночасної обробки зовнішніх і внутрішніх поверхонь стінок порожнистих валів ГТД і теоретичний аналіз багатофункціональних залежностей між факторами процесу, який проведено із застосуванням комплексних параметрів і безрозмірних параметричних критеріїв, що містять сукупності вхідних факторів, дозволили встановити прості узагальнюючі аналітичні залежності між вхідними параметрами процесу і на цій основі розробити методику розрахункового визначення раціональних технологічних умов і режимів обробки, що дозволило цілеспрямовано регулювати вхідні фактори при проведенні експериментальних досліджень і забезпечити необхідні параметри якості оброблених деталей.

5. Встановлено, що основними факторами, що визначають ефективність процесу одночасної обробки поверхонь валів є: параметр безрозмірного тиску, що включає в себе основні фактори процесу обробки їхніх внутрішніх поверхонь, а також швидкість обертання деталей, швидкість зріджуючого абразив повітря, розмір абразивного зерна і час обробки.

При цьому експериментально встановлено раціональні технологічні умови і діапазони режимних факторів процесу, що забезпечують, незалежно від виду попередніх технологічних операцій і їх сполучень, при виготовленні валів формування в поверхневому шарі залишкових напруг стиску - 350...-410 МПа з максимумом на поверхні і малому розсіюванні їх значень та підвищення границі витривалості до 25...30%. Отримані результати стали основою для розробки галузевих технологічних рекомендацій і створення спеціальної установки.

6. Розроблено математичну модель процесу алмазного вигладжування, що базується на основних закономірностях статичної взаємодії сферичного наконечника з нескінченною напівплощиною металу та враховує реальну площадку контакту інструмента і деталі у встановленому режимі вигладжування, а також характерний закон розподілу швидкості переміщення часток металу в залежності від лінійної швидкості обробки деталі. Математична модель цілком визначає напружено-деформований стан в області взаємодії сферичного наконечника з деталлю і підтверджена чисельним експериментом методом кінцевих елементів і експериментально. Математична модель процесу стала основою для розробки й обґрунтування програмно-реалізованих методик розрахунку зусилля вигладжування і величини залишкових напруг у поверхневому шарі деталі.

7. Теоретично й експериментально визначено найбільш ефективні технологічні умови і режими алмазного вигладжування валів ГТД зі сталі Х12НМБФ-Ш, що забезпечують підвищення границі витривалості матеріалу на 43...57%. Показано, що величина границі витривалості значною мірою визначається зусиллям вигладжування і кількістю проходів інструмента по поверхні, а в меншому ступені - подачею і швидкістю обробки.

На підставі наведеного аналізу про вплив технологічних умов і режимів алмазного вигладжування на комплекс параметрів якості порожнистих валів ГТД розроблено галузеві технологічні рекомендації і технологічні процеси.

8. Створено комплекс технічного і розрахунково-методичного забезпечення для проектування і реалізації технологічних процесів виготовлення валів ГТД із високим рівнем параметрів якості, що включає:

нові технологічні процеси виготовлення порожнистих валів роторів ГТД, які підвищують продуктивність і знижують трудомісткість обробки;

методики розрахунку і пакети прикладних програм для визначення технологічних режимів обробки;

галузеві технологічні рекомендації з фінішної обробки валів ГТД алмазним вигладжуванням і вільним абразивом, які скорочують терміни освоєння нових виробів на 1...3 роки;

спеціалізоване технологічне устаткування для полірувально-зміцнюючої обробки валів ГТД, яке впроваджено у виробництво на ВАТ “Мотор Січ”.

Впровадження результатів роботи забезпечило підвищення границі витривалості валів двигунів ТВ3-117, Д-36 і Д18-Т на 30...45%, що збільшило їх ресурс і надійність.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

Богуслаев В.А., Качан А.Я, Мозговой В.Ф., Кореневский Е.Я. Технология производства авиационных двигателей. - Запорожье: Изд. ОАО “Мотор Сич”. - 2000. - 945 с.

Мозговий В.Ф., Качан О.Я., Попенко А.І. Полірування тонкостінних валів роторів КВТ ГТД вільним абразивом. ГРЗ-009-2001. Державний комітет промислової політики України. - 2001. - 13 с.

Мозговий В.Ф., Качан О.Я., Штапура В.М. та ін. Поверхневе зміцнення валів компресорів газотурбінних двигунів алмазним вигладжуванням. ГРЗ-010- 2001. - Державний комітет промислової політики України. - 2001. - 7 с.

Мозговой В.Ф., Попенко А.И., Качан А.Я. Модель процесса обработки внутренних поверхностей валов ГТД свободным абразивом // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Зб. наук праць. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харьк. авіац. ін-т”, 2001. - Вип. 23. Двигуни та енергоустановки. - С. 250 - 253.

Мозговой В.Ф., Качан А.Я, Попенко А.И. Технологическая наследственность при обработке тонкостенных валов ГТД // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. научн. трудов. Вып. 19. Тепловые двигатели и энергоустановки. - Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т “Харьк. авиац. ин-т”, 2000. - С. 290 - 293.

Мозговой В.Ф., Титов В.А., Качан А.Я. Особенности комплексной оценки деформационных параметров поверхностного слоя при изготовлении тонкостенных валов ГТД // Технологические системы. - 2000. - № 2. - С. 56 - 66.

Мозговой В.Ф., Попенко А.И., Качан А.Я. Новый метод отделочно-упрочняющей обработки тонкостенных валов роторов ГТД // Технологические системы. - 2000. - № 3 (5). - С. 67 - 74.

Попенко А.И., Мозговой В.Ф., Качан А.Я. Оптимизация процесса финишной обработки пустотелых валов газотурбинных двигателей // Технологические системы. - 2000. - № 4(6). - С. 70 - 82.

Мозговой В.Ф., Качан А.Я., Грабовский А.П., Петренко Э.Г. Оценка эффективности финишной технологической обработки алмазным выглаживанием валов ГТД из стали Х12НМБФ-Ш при испытаниях на многоцикловую усталость // Технологические системы. - 2001. - № 1(7). - С. 37 - 41.

Мозговой В.Ф., Попенко А.И., Качан А.Я. Технология и оборудование для финишно-упрочняющей обработки деталей ГТД свободным абразивом // Технологические системы. - 2001. - № 3(9). - С. 25 - 29.

Мозговой В.Ф., Качан А.Я., Титов В.А. и др. Оценка оптимизированных технологических параметров процесса алмазного выглаживания при изготовлении валов ГТД // Технологические системы. - 2001. - № 5(11). - С. 78 -85.

Попенко А.И., Мозговой В.Ф., Качан А.Я. Оптимизация процесса финишной полировально-упрочняющей обработки наружных поверхностей тонкостенных валов роторов ГТД // Технологические системы. - 2002. - № 1(12). - С. 57 - 64.

Мозговой В.Ф. Влияние технологической наследственности после механической обработки валов ГТД на их механические характеристики и длительную прочность // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні, Запорізький державний технічний університет. - 2000. - № 1. - С. 62 - 64.

Мозговой В.Ф., Попенко А.И., Качан А.Я. Влияние технологии изготовления тонкостенных валов роторов ГТД на их эксплуатационную долговечность // Вестник национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”. - К.: Машиностроение, 2001. - Вып.41. -

С. 124 - 131.

Богуслаев В.А., Мозговой В.Ф., Качан А.Я., Мигунов В.М. Новые авиационные двигатели и технологии ОАО “Мотор Сич” // 6-й Международный научно-технический симпозиум “Авиационные технологии, XXI века: новые рубежи авиационной науки”, 14 - 19 августа 2001 г., в рамках Международного авиасалона МАКС - 2001. - Жуковский: Россия. - С. 210.

Мозговой В.Ф., Попенко А.И., Качан А.Я. Финишная обработка валов роторов ГТД // Авиационно-космическая техника и технология. Труды Гос. аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, вып. 14. - Харьков. - 2000. - С. 262, 263.

Мозговой В.Ф., Качан А.Я., Попенко А.И., Смирнов А.С. Влияние параметров процесса точения тонкостенных валов ГТД на качественные и эксплу-атационные свойства поверхностного слоя // Тез. докл. Международной конференции “Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей эне-ргетических установок” / Отв. ред. В.К. Яценко. - Запорожье, 2000. - С. 96 - 99.

Мозговой В.Ф., Качан А.Я., Попенко А.И. Повышение выносливости валов ГТД технологическими методами // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні,Запорізький національний технічний університет.-2002- № 1.

АНОТАЦІЇ

Мозговий В.Ф. Забезпечення параметрів якості порожнистих валів ГТД технологічними методами. - Рукопис. Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.04 - Технологія виробництва літальних апаратів. Український науково-дослідний інститут авіаційної технології, Київ, 2002 р.

Дисертацію присвячено рішенню актуального науково-технічного завдання забезпечення технологічними методами параметрів якості порожнистих валів газотурбінних двигунів (ГТД) для підвищення їх опору втомленості, що має суттєве значення для сучасного авіадвигунобудування.

При реалізації методів і засобів технічного забезпечення параметрів якості здійснено системний науково обґрунтований підхід, який базується на аналізі конструктивно-технологічних особливостей порожнистих валів ГТД та напружено-деформованого стану поверхневого шару,який оптимізовано з використанням енергетичних принципів та результатів експериментальних досліджень. Встановлено, що формування параметрів якості поверхневого шару (фізико-механічних та геометричних характеристик) валів суттєво залежить від послідовності операцій та режимів технологічної обробки.

Розроблено математичні моделі процесів фінішної обробки, приведено методики розрахунку основних параметрів і отримано нові аналітичні й емпіричні залежності, що встановлюють зв'язки між вхідними і вихідними характеристиками фінішної полірувально-зміцнюючої обробки вільним абразивом та алмазним вигладжуванням.

Створено та освоєно на виробництві ВАТ “Мотор Січ” спеціалізоване технологічне устаткування для полірувально-зміцнюючої обробки валів ГТД, нові технологічні процеси та галузеві рекомендації по їх реалізації, методики розрахунку та пакети прикладних програм для визначення режимів технологічної обробки.

Ключові слова: порожнистий вал газотурбінного двигуна, опір втомленості, напружено-деформований стан, полірувально-зміцнююча обробка, вільний абразив, алмазне вигладжування, режими технологічної обробки.

Мозговой В.Ф. Обеспечение параметров качества полых валов ГТД технологическими методами. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.04 - Технология производства летательных аппаратов. Украинский научно-исследовательский институт авиационной технологии, Киев, 2002 г.

Диссертация посвящена решению актуальной, имеющей важное народ-нохозяйственное значение, научно-технической задачи современного авиа-двигателестроения, связанной с повышением сопротивления усталости роторных валов ГТД, путем обеспечения их параметров качества технологическими методами при изготовлении.

На основании системного анализа напряженно-деформированного сос-тояния поверхностного слоя, оптимизированного на базе экстремальных энер-гетических принципов и результатов экспериментальных исследований, осу-ществлен системный, научно обоснованный подход при реализации методов и средств технического обеспечения параметров качества полых валов ГТД, кото-рый учитывает особенности формирования параметров поверхностного слоя во взаимосвязи с последовательностью операций и режимами технологической обработки.

Определены конструктивно-технологические особенности полых валов ГТД и экспериментально установлена степень влияния операций технологической обработки (точения, шлифования, полировально-упрочняющей обработки) в виде эмпирических зависимостей на параметры качества деталей при их изготовлении.

Показано, что влияние технологической наследственности операций формо-образующей обработки полых валов ГТД на их параметры качества проявляется в недостаточном уровне значений пределов выносливости, длительной прочности, механических характеристик и в их значительной нестабильности.

Предложен новый метод одновременной полировально-упрочняющей обработки наружных и внутренних поверхностей для тонкостенных полых валов ГТД в псевдоожиженном абразиве с применением воздушных струй, а для ступенчатых длинномерных и жестких валов - алмазное выглаживание.

Разработаны математические модели нового технологического процесса одновременной обработки полых валов, которые устанавливают функциональные связи между выходными параметрами процесса и входными геометрическими и динамическими параметрами обрабатываемой детали, абразивной среды и воздушных струй, на основании которых получены простые обобщающие аналитические зависимости и разработана методика определения технологических условий обработки.

Экспериментально установлены основные факторы, определяющие эффективность процесса одновременной обработки поверхностей валов, включающие: параметр безразмерного давления, скорость ожижающего абразив воздуха, размер абразивного зерна и время обработки.

При этом установлены рациональные технологические условия и диапазоны режимных факторов процесса, обеспечивающие независимо от вида предшествующих технологических операций и их сочетаний при изготовлении валов формирование в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия - 350…-410 МПа с максимумом на поверхности и малом рассеянии их значений и повышение предела выносливости до 25…30%.

Разработана и экспериментально обоснована математическая модель процесса алмазного выглаживания полых валов ГТД, основанная на законо-мерностях взаимодействия сферического алмазного наконечника и учитывающая реальную площадку контакта инструмента и детали в установившемся режиме выглаживания, а также характерный закон распределения скорости перемещения частиц металла в зависимости от линейной скорости обработки детали.

Разработаны методики расчета технологического процесса алмазного выглаживания и оценки механического состояния поверхностного дефор-мированного слоя полых валов ГТД.

Экспериментально определены рациональные технологические условия и режимы алмазного выглаживания, обеспечивающие повышение предела выносливости полых валов ГТД до 43…57%.

На базе представленных в работе теоретических и экспериментальных исследований создан комплекс технического и расчетно-методического обеспечения для проектирования и реализации технологических процессов изготовления валов ГТД с высоким уровнем параметров качества, включающий:

новые технологические процессы изготовления полых валов роторов ГТД, повышающие производительность и снижающие трудоемкость обработки;

методики расчета и пакеты прикладных программ для определения технологических режимов обработки;

отраслевые технологические рекомендации по финишной обработке валов ГТД алмазным выглаживанием и свободным абразивом, что сокращает сроки освоения новых изделий на 1…3 года;

специализированное технологическое оборудование полировально-упроч-няющей обработки валов ГТД, внедренное в производство на ОАО “Мотор Сич”.

Внедрение результатов работы обеспечило повышение предела выносливости валов двигателей ТВ3-117, Д-36 и Д18-Т на 30…45%, что увеличило их ресурс и надежность.

Ключевые слова: полый вал газотурбинного двигателя, сопротивление усталости, напряженно-деформированное состояние, полировально-упрочняющая обработка, свободный абразив, алмазное выглаживание, режимы технологической обработки.

Mozgovy V.F. Making characteristics for GTE hollow shafts by technological methods. - Typescript. Thesis for candidates technical degree according to specialty 05.07.04 - Technology of aircraft production. Ukraine Research Institute of Aviation Technology, Kiev, 2002.

Thesis dedicates to actual scientific problem - to make characteristics for hollow shafts of gas-turbine engines (GTE) in order to rise their fatigue strength. This problem is important for contemporary airplane engines construction.

Scientific and systematic approach to realization methods and technical means for making GTE shafts characteristics has been provided. Such approach is based on construction and technological analysis of the GTE hollow shaft properties, prestress and deformed state of the surface layer that is optimized by energetic principles and researches. It was established that making physical, mechanical and geometric characteristics for the shafts surface layer is considerably depends on the order and technological working.

There were developed mathematic working models and calculation methods for the main parameters. New analytical and empirical dependences that connect input data and imprint ones of the finish polishing and strengthening by loose abrasive and by diamond ironing were shown.

There were developed and assimilated at MOTOR SICH PJSC production special purpose technological equipment for polishing and strengthening GTE shafts, new technological process and subject recommendations for their realization, calculation methods and block of applied programs to select conditions that are already.

Key words: hollow shaft of the gas-turbine engine, fatigue strength, prestressed and deformed state, polishing and strengthening working, conditions of technological working, loose abrasive, diamond ironing.

Размещено на Allbest.ru

...