Розробка наукових основ створення АРМ технолога комбінованого зміцнення і нанесення покриття на деталі АТ

Размещено на http://allbest.ru

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.07.04 - Технологія виробництва літальних апаратів

РОЗРОБКА НАУКОВИХ ОСНОВ СТВОРЕННЯ АРМ ТЕХНОЛОГА КОМБІНОВАНОГО ЗМІЦНЕННЯ І НАНЕСЕННЯ ПОКРИТТЯ НА ДЕТАЛІ АТ

ВИКОНАЛА: РУДЕНКО НАТАЛІЯ ВОЛОДИМИРІВНА

Харків - 2002

АНОТАЦІЯ

Руденко Н.В. Розробка наукових основ створення АРМ технолога комбінованого зміцнення і нанесення покриття на деталі АТ. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.04 - технологія виробництва літальних апаратів. - Національний аерокосмічний університет ім. Н.Є. Жуковського, м. Харків, 2002.

Захищається рукопис, у якій представлені теоретичні й експериментальні дослідження, що покладені в основу розробки АРМ технолога комбінованої технології.

В роботі запропоновані моделі взаємодії потоків заряджених часток і плазми, що дозволяють отримати ефективний коефіцієнт ерозії і поля температур й напруги, експериментально показано, що можливість плазмово-іонної і світлопроменевої обробки, отримані залежності якісних властивостей (мікротвердості, зносостійкості, шорсткості, міцності зціплення й окислення, утомної міцності) від технологічних параметрів при плазмово-іонній, іонно-проміневій й комбінованій обробці.

Розроблено системні карти залежностей якісних характеристик параметрів для плазмово-іонної, світлопроменевої і комбінованої обробки, що дозволяють вирішити питання вибору технологічних параметрів і фізико-механічних характеристик для досягнення максимального значення якісної характеристики, що є функцією мети, і виявити діапазони інших якісних характеристик, що реалізуються, для розглянутих технологій.

На основі комплексного дослідження взаємодії потоків часток з конструкційними матеріалами, створеної моделі прогнозування залежностей якісних характеристик від технологічних параметрів і фізико-механічних характеристик деталі до обробки разом з експериментальними дослідженнями, розробленим алгоритмом вибору технологічних параметрів, бази даних установок і розробленого технологічного процесу створений АРМ технолога комбінованої, плазмово-іонної і світлопроменевої обробки.

Ключові слова: плазмово-іонна обробка, світлопроменева обробка, комбінована технологія, місце технолога, авіаційна техніка, прогнозування.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Авіаційна техніка (літаки, авіадвигуни, авіаагрегати) представляє клас галузі, для якого проблема довговічності і надійності стоїть особливо гостро.

У сучасній авіаційній техніці деталі працюють в особливо складних експлуатаційних умовах одночасної дії статичних, динамічних і термоциклічних навантажень, температури, а також агресивного корозійного і ерозійного середовища. Це приводить до появи різних дефектів: розвитку тріщин від утоми, корозії та ін. У переважній більшості випадків ці дефекти, насамперед, виникають у тонкому поверхневому шарі деталей.

Практика проектування виробництва, експлуатації і ремонту деталей авіаційної техніки показує, що радикальним засобом підвищення їхніх експлуатаційних характеристик є створення деталей зі спеціальними властивостями поверхневих шарів. Об'єднання ряду технологій в одну комбінованої, мабуть, має значну перспективу, коли сполучення фізичних процесів і методів обробки дозволяє одержувати поверхні деталей з цілим комплексом унікальних властивостей.

До числа таких методів відносяться: лазерне зміцнення (ЛЗ), що дозволяє суттєво змінити властивості матеріалу на значну глибину до міліметра, за рахунок модифікації властивостей матеріалу, і підвищити тривкі характеристики матеріалу, циклічну міцність деталей з конструкційних матеріалів. Плазмово-іонні покриття (ПІП), що змінюють у широкому діапазоні зносостійкість поверхонь і їхній опір корозії й ерозії.

В умовах, коли пред'являються жорсткі вимоги до термінів розробки і якості нових виробів, без комплексної системи автоматизації проектування і підготовки виробництва не обійтися. Реалізація принципу наскрізного проектування технологічних процесів дозволяє вже на етапі конструкторської розробки деталі врахувати можливість наступного нанесення покрить і зміцнення. Так само, якщо при розробці технологічного процесу механообробки технолог може керуватися крім довідкового матеріалу власним досвідом, то при впровадженні нових високоефективних технологій, що використовують іонні, електронні, плазмові і світлопроменеві потоки, а також складного устаткування не обійтися без відповідних АРМ технолога.

У цьому зв'язку розробка АРМ технолога для комбінованої технології з використанням сполучення лазерного зміцнення і плазмово-іонних покрить, яке б дозволило визначати з наукових позицій технологічні параметри і фізико-механічні характеристики деталі до обробки є актуальною задачею для сучасного авіадвигунобудування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами:

Актуальність теми дисертації підтверджується тим, що вона зв'язна з виконанням робіт з:

1. Програмі ДКНТ України по фундаментальних дослідженнях: проект «Підвищення надійності й експлуатаційних властивостей деталей машин шляхом формування поверхневих шарів за допомогою комбінованих технологій, включаючи плазмово-іонну і світлопроменеву обробки».

2. Програми наукових досліджень Міносвіти та науки України «Технологічні шляхи підвищення експлуатаційних характеристик деталей машин шляхом створення поверхневих шарів із заданими властивостями»

3.Проекту Міністерства по справах науки і технологій України (4/1646) «Технологічні шляхи створення поверхневих шарів із заданими властивостями».

Мета роботи. Розробка і створення АРМ технолога комбінованого зміцнення і нанесення покрить на деталі авіаційної техніки, що дозволяє підвищити якість обробки і спростити підготовку інтегрованого виробництва.

Автором самостійно отримані наступні результати, що виносяться на захист:

1. Запропоновано новий комплексний підхід до створення моделі взаємодії потоків заряджених часток з конструкційними матеріалами, що дозволяє одержати поля температур, температурних напруг і ефективний коефіцієнт ерозії для індивідуальних іонів і електронів, для випадку взаємовпливаючих сусідніх часток і при дії потоку часток як суцільного середовища, а так само для випадку дії плазмового потоку.

2. Результати експериментальних досліджень і методика прогнозування якісних характеристик комбінованих технологій на базі плазмово-іонної і світлопроменевої обробки в залежності від технологічних параметрів установок і фізико-механічних характеристик деталі до обробки.

3. Розроблено АРМ технолога комбінованого зміцнення і нанесення покрить на деталі авіаційної техніки, що базується на розроблених фізико-технічних основах комбінованих технологій.

Наукова новизна.

1. Вперше створена аналітично-регресійна методика прогнозування якісних характеристик з розрахованою точністю (мікротвердість, шорсткість, міцність зчеплення з поверхнею, окислення, зносостійкість) у залежності від технологічних параметрів і фізико-механічних характеристик деталей до обробки при плазмово-іонної, світлопроменевої і комбінованої технології.

2. Розроблено алгоритм вибору технологічних параметрів зміцнення і нанесення покрить і фізико-механічних характеристик деталей авіаційної техніки перед обробкою для плазмово-іонної, світлопроменевої і комбінованої технології, що є частиною АРМ технолога.

3. Створено базу даних по установках для плазмово-іонної і світлопроменевої обробки, що дозволяє здійснювати їхній вибір для ПІО, ЛО і комбінованої технології та органічно включити її в АРМ технолога.

4. Запропоновано базовий технологічний процес комбінованого зміцнення і нанесення покрить на основі плазмово-іонної і світлопроменевої обробки, що дозволяє одержати необхідні якісні характеристики деталей і, що є важливим для АРМ технолога.

Практична цінність. Розроблений технологічний процес комбінованої технології на основі плазмово-іонної і світлопроменевої обробки дозволяє забезпечити максимальне значення однієї з якісних характеристик, необхідний діапазон інших якісних характеристик, а також одержати необхідні фізико-механічні характеристики матеріалу.

Запропоновані залежності якісних характеристик комбінованої обробки на основі плазмово-іонної і світлопроменевої технологій від технологічних параметрів установки, які реалізовані у виді прикладних програм, дозволяють вибрати раціональні технологічні параметри для досягнення необхідних якісних характеристик.

Створено АРМ технолога комбінованої, плазмово-іонної і світлопроменевої обробки на основі комплексного дослідження фізики взаємодії потоків часток з конструкційними матеріалами, створених моделей прогнозування залежностей якісних характеристик від технологічних параметрів і фізико-механічних характеристик деталі до обробки разом з експериментальними дослідженнями, розробленим алгоритмом вибору технологічних параметрів, база даних установок і розробленого базового технологічного процесу.

Реалізація роботи. Результати роботи, методики, моделі реалізовані у виді прикладних програм і використовуються при створенні технологічних процесів комбінованої обробки на основі плазмово-іонної і світлопроменевої технології для обробки деталей авіаційної техніки на ХМЗ ФЕД, виробництві деталей для авіаційної техніки, також у навчальному процесі кафедри «Робототехніки» Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ». Щорічний економічний ефект від упровадження результатів роботи склав 15,2 тис. гривень.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи обговорювалися на Сьомій, Восьмій, Дев'ятій, Десятій та Одинадцятій міжнародних конференціях «Нові технології в машинобудуванні» Харків - Рибаче (1998, 1999, 2000, 2001, 2002 рр.)

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано шість друкованих праць, з них 6 статей.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з уведення, п'яти глав, висновків, викладених на 191 сторінках, має 12 таблиць, 89 малюнків, список літератури з 98 найменувань, додатки.

В вступі показані актуальність, стисла мета роботи, результати, що винесені на захист, наукова новизна, практична цінність, реалізація роботи, апробація роботи і публікації.

Основною метою роботи є розробка і створення АРМ технолога комбінованого зміцнення і нанесення покрить з використанням плазмово-іонної і світлопроменевої технології на деталі авіаційної техніки, для цього вирішені наступні задачі:

- створення нового комплексного підходу до розробки моделі взаємодії потоків заряджених часток з конструкційними матеріалами, що дозволяє одержати поля температур, температурних напружень і ефективний коефіцієнт ерозії в зоні дії індивідуальних іонів і електронів, у випадку взаємовліяючих сусідніх часток і при дії потоку часток як суцільного середовища, а так само для випадку дії плазмового потоку;

- дослідження впливу режимів плазмово-іонної і лазерної технології на якість обробки деталей, що дозволяє визначити режими обробки для реалізації комбінованого зміцнення і нанесення покрить;

- створення аналітично-регресійної методики прогнозування якісних характеристик (мікротвердість, шорсткість, міцність зчеплення з поверхнею, окислення, зносостійкість) у залежності від технологічних параметрів і фізико-механічних характеристик деталей до обробки при плазмово-іонної, світлопроменевої і комбінованої технології;

- розробка алгоритму вибору технологічних параметрів зміцнення і нанесення покрить і фізико-механічних характеристик деталей авіаційної техніки перед обробкою для плазмово-іонної, світлопроменевої і комбінованої технології, що є частиною АРМ технолога.

- створення бази даних по установках для плазмово-іонної і світлопроменевої обробки, що дозволяла б здійснювати їхній вибір для ПІО, ЛО і комбінованої технології й органічно включити її в АРМ технолога;

- розробка базового технологічного процесу комбінованого зміцнення і нанесення покрить на основі плазмово-іонної і світлопроменевої обробки, що дозволяє одержати необхідні якісні характеристики деталей і, що є важливим для АРМ технолога.

В першому розділі приведені дані залежностей технологічних параметрів установок від якісних характеристик плазмово-іонної і світлопроменевої обробки.

Проведено дослідження залежностей мікротвердості від щільності потужності обробки (ПІО, ЛО); маси плазмовоутворюючого газу і величини енергії, що запасається, (ПІО); швидкості обробки (ЛО).

Розглянуто питання залежності шорсткості від типу структури, щільності потужності випромінювання (ПІО, ЛО); швидкості і напрямки руху (ЛО).

Показано залежності міцності зчеплення і міцності поверхневого шару від часу витримки в плазмі, товщини підшару, відстані катод-підкладка, робочого тиску, щільності потужності випромінювання, парціального тиску, величини шорсткості (ПІО), часу імпульсу (ЛО), типу міжатомної взаємодії (ЛО).

Установлено залежність зносостійкості від пористості, величини адгезіоної і когезіоної міцності, наявності різних текстур (ПІО); потужності випромінювання, розфокусировки оптичної системи, швидкості переміщення (ЛО).

Аналіз отриманих даних дозволяє укласти, що корозійна стійкість матеріалів залежить від товщини покриття, фазового складу покриття, струму дугового розряду, потенціалу зміщення, пористості (ПІО).

Також отримані порівняльні таблиці зносостійкості при плазмово-іонній і світлопроменевій обробки, адгезіоних властивостей і швидкості корозії плазмових покрить.

У другому розділі запропоновано новий комплексний підхід у створенні моделі взаємодії заряджених часток з конструкційними матеріалами, а також методи розрахунку якісних характеристик плазмово-іонних і лазерних покрить на деталях авіаційної техніки.

У балансі тепла представлені наступні складові: зміна кількості тепла в одиничному об'ємі (перша складова у лівій частині рівняння) реалізується за рахунок переміщення потоку часток уздовж поверхні, яка обробляється чи переміщення мішені щодо потоку плазми зі швидкістю Vп (друга складова), теплофізичних процесів: вплив на теплообмін кінцевої швидкості розповсюдження тепла (третя складова), теплопровідності (перша складова праворуч), зміщення фронту випаровування (друга складова), плавлення (третя складова), конденсація (четверта складова); процесів зіткнення: об'ємного джерела тепла за рахунок дії частки (п'ята складова), витрати енергії на зміщення атомів (шоста складова); термонапружених, термопластичних і термоутомлених процесів, що визначають енергію деформування матеріалу елементарного об'єму (сьома складова); дифузійних процесів, що визначають теплопереніс матеріалом, що дифундує, (восьма складова); термохімічних процесів, пов'язаних з реалізацією хімічних реакцій між матеріалом мішені й іонами, що бомбардують, або між компонентами сплавів і композиційних матеріалів (дев'ята складова) і ленцджоулів нагрів за рахунок розтікання струму для іонного й електронного потоків (остання складова):

Граничні умови на поверхні мішені враховують: процеси зіткнення: тепла, яке виділяється на поверхні внаслідок дії електрона або іона (перша складова праворуч), відводиться тепловий потік з розпиленими частками (друга складова), з термоелектронами (третя складова), для іонів - відводиться тепловий потік з іонно-іонною або другорядною іонною емісією (четверта складова), відводиться тепловий потік з іонно-фотонною емісією (п'ята складова), потенційною іонно-електронною емісією (шоста складова), кінетичною іонно-електронною емісією (сьома складова), характеристичним рентгенівським опроміненням (восьма складова), гальмуючим рентгенівським опроміненням (дев'ята складова), перехідним опроміненням (десята складова), для електронів здійснюється тепловідвід із другорядними електронами (одинадцята складова), із другорядними фотонами (дванадцята складова), з опроміненням Черенкова (тринадцята складова), з перехідним опроміненням (чотирнадцята складова), з гальмовим рентгенівським опроміненням (п'ятнадцята складова), з характеристичним рентгенівським опроміненням (шістнадцята складова).

Теплофізичних процесів: відводиться тепловий потік з випаруваним матеріалом (сімнадцята складова), з матеріалом який відійшов у фазі рідини, якщо створюються умови для його викиду (вісімнадцята складова), з тепловим випромінюванням нагрітої поверхні (дев'ятнадцята складова) із конденсованими атомами, раніше випаруваними (двадцята складова).

Плазмохімічних процесів, що реалізуються за рахунок реакцій між потоку плазми або потоку іонів з розпиленим і випаруваним матеріалом чи мішені з адсорбованими газами (двадцять перша складова), ця енергія передається випромінюванням.

Передача енергії також здійснюється за рахунок випромінювання потоку іонів, чи електронів плазми (остання складова):

В результаті рішення задачі отримані розподілення температур у зоні дії індивідуальних часток (електронів і іонів), взаємодіючих часток (електронів і іонів), потоку часток як суцільного середовища та плазми (у випадку взаємодіючих часток), отримані також поля температурних напружень у цих же умовах.

Показано, що щільність струму може збільшувати коефіцієнт ерозії на п'ять порядків, кластерне руйнування за рахунок термопружних напружень можливо при енергіях від 103 до 105 еВ. Показана можливість використання моделі для отримання полів температур і напружень, а також залежності коефіцієнта ерозії від енергії та щільності струму.

Було проведено порівняльний аналіз отриманих значень розповсюдження температур по глибині мішені, максимальних температурних напружень, коефіцієнта ерозії з базовою моделлю.

Третій розділ присвячений аналізу проектування установок по плазмово-іонній і світлопроменевій обробки, на основі якого розроблена база даних по установках для ПІО і ЛО й дозволяє органічно включати її у АРМ технолога.

Четвертий розділ присвячений створенню аналітично-регресійної методики прогнозування якісних характеристик (мікротвердість, шорсткість, міцність зчеплення з поверхнею, окислення, зносостійкість) у залежності від технологічних параметрів і фізико-механічних характеристик деталей до обробки при плазмово-іонної, світлопроменевої і комбінованої технології.

Отримано емпіричні формули залежностей мікротвердості, шорсткості, зносостійкості, стійкості ріжучого інструмента, окислення, адгезії й інших якісних характеристик від технологічних параметрів і фізико-механічних характеристик - для плазмово-іонної технології, для світлопроменевої.

Показано, як за допомогою емпіричних формул складені системні карти залежностей мікротвердості, шорсткості, зносостійкості, корозійній стійкості, адгезії від технологічних параметрів і фізико-механічних характеристик, що реалізовані в АРМ технолога.

У п'ятому розділі розроблено АРМ технолога комбінованого зміцнення і нанесення покрить на деталі авіаційної техніки. Комплексні дослідження фізики взаємодії потоків часток з конструкційними матеріалами, створення моделей прогнозування залежностей якісних характеристик від технологічних параметрів і фізико-механічних характеристик деталі до обробки разом з експериментальними дослідженнями, розробленим алгоритмом вибору технологічних параметрів, база даних установок і розроблений базовий технологічний процес дозволили створити АРМ технолога комбінованої, плазмово-іонної і світлопроменевої обробки.

У додатку приведені програми для прогнозування якісних характеристик і база даних по установках плазмово-іонної і світлопроменевої обробки.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота «Розробка наукових основ створення АРМ технолога комбінованого зміцнення і несення покрить на деталі АТ» є закінченою роботою, присвяченої рішенню важливої народногосподарської задачі, створенню АРМ технолога комбінованої технології зміцнення і нанесення покрить на деталі авіаційної техніки на основі плазмово-іонної і світлопроменевої обробки, що дозволяє підвищити якість обробки і гнучкість підготовки інтегрованого виробництва. При рішенні якої:

1. Розроблено АРМ технолога комбінованого зміцнення і нанесення покрить на деталі авіаційної техніки, що базується на розроблених фізико-технічних основах комбінованих технологій і дозволяє з наукових позицій визначити технологічні параметри обробки і фізико-механічні характеристики деталі до обробки.

2. Запропоновано новий комплексний підхід до створення моделі взаємодії потоків заряджених часток з конструкційними матеріалами, що дозволяє одержати поля температур, температурних напруг і ефективний коефіцієнт ерозії в зоні дії індивідуальних іонів і електронів, у випадку взаємовпливаючих сусідніх часток і при дії потоку часток як суцільного середовища, а так само для випадку дії плазмового потоку. Запропонований новий комплексний підхід, дозволяє вирішувати питання про массоунос у виді атомів, у виді крапель рідкої фази й у виді кластерів на новому якісному і кількісному рівні.

3. Досліджено впливу режимів іонної і лазерної технології на якість обробки при плазмово-іонній і світлопроменевій обробки, що дозволило визначити режими обробки для реалізації комбінованого зміцнення і нанесення покрить.

4. Створено аналітично-регресійну методику прогнозування якісних характеристик (мікротвердість, шорсткість, міцність зчеплення з поверхнею, окислення, зносостійкість) у залежності від технологічних параметрів і фізико-механічних характеристик деталей до обробки при плазмово-іонної, світлопроменевої і комбінованої технології, що дозволяє із визначеною точністю прогнозувати якісні характеристики.

5. Розроблено алгоритм вибору технологічних параметрів зміцнення і нанесення покрить і фізико-механічних характеристик деталей авіаційної техніки перед обробкою для плазмово-іонної, світлопроменевої і комбінованої технології, що є частиною АРМ технолога.

6. Створено базу даних по установках для плазмово-іонної і світлопроменевої обробки, що дозволяє здійснювати їхній вибір для ПІО, ЛО і комбінованої технології й органічно включати її в АРМ технолога.

7. Запропоновано базовий технологічний процес комбінованого зміцнення і нанесення покрить на основі плазмово-іонної і світлопроменевої обробки, що дозволяє одержати необхідні якісні характеристики деталей і, що є важливим для АРМ технолога.

8. Комплексні дослідження фізики взаємодії потоків часток з конструкційними матеріалами, створення моделей прогнозування залежностей якісних характеристик від технологічних параметрів і фізико-механічних характеристик деталі до обробки разом з експериментальними дослідженнями, розробленим алгоритмом вибору технологічних параметрів, база даних установок і розроблений базовий технологічний процес дозволили створити АРМ технолога комбінованої, плазмово-іонної і світлопроменевої обробки.

технолог світлопроменевий плазмовий авіаційний

ПУБЛІКАЦІЇ

1. Костюк Г.І., Бєлоусов О.О., Васильков П.М., Грабченко А.І., Лобанова Л.В., Руденко Н.В., Скорик О.Г. Прогнозування залежностей мікротвердості від технологічних параметрів установок при плазмово-іонної, світлопроменевій і комбінованій обробці // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Праці Харківського авіаційного інституту ім. М.Є. Жуковського. - Харків. - 1998. - с. 436 - 445.

2. Костюк Г.І., Руденко Н.В., Бєлоусов О.О. Дослідження можливих джерел і стоку тепла при постановці задачі про дію потоків заряджених часток і плазми на конструкційні матеріали // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Праці Харківського авіаційного інституту ім. М.Є. Жуковського. - Харків. - 1999. - с. 181 - 189.

3. Костюк Г.І., Руденко Н.В. Інженерна методика оцінки динаміки полів температур і напруг у тілі деталі і коефіцієнта ерозії при плазмово-іонній і світлопроменевій обробки // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Праці Харківського авіаційного інституту

ім. М.Є. Жуковського. - Випуск 17. - Харків. - 2000 р. - с.33 -38.

4. Костюк Г.І., Руденко Н.В. Вибір оптимальних технологічних параметрів обробки деталей за допомогою емпіричних залежностей якісних характеристик, що забезпечують максимально можливе значення функції мети і діапазон якісних характеристик деталі // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Праці Харківського авіаційного інституту

ім. М.Є. Жуковського. - Харків. - 2001. - с. 327 - 341.

5. Костюк Г.І., Руденко Н.В. Розробка фізико-технічних основ створення АРМ технолога для комбінованого зміцнення і нанесення покрить на деталі авіаційної техніки // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Праці Харківського авіаційного інституту ім. М.Є. Жуковського. - Випуск 32. - Харків. - 2002. -с. 172 - 179

6. Костюк Г.І., Руденко Н.В. Теплофізичні, термомеханічні та ерозійні процеси при дії заряджених часток на деталі при комбінованій обробці // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Праці Харківського авіаційного інституту ім. М.Є. Жуковського. - Випуск 33. - Харків. - 2002. -с. 28 - 39

Размещено на Allbest.ru