Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение эффективности упрочнения поверхностного слоя деталей ГТД микрошариками с учетом технологических возможностей оборудования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Специальности: 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки; 05.02.08 - Технология машиностроения

Гущин Александр Юрьевич

Рыбинск 2006

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Волков Дмитрий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Киричек Андрей Викторович

кандидат технических наук, доцент Шилков Евгений Васильевич

Ведущая организация ОАО «Пермский моторный завод»

Защита состоится 22 ноября 2006 г. в « 12 » час на заседании диссертационного совета Д212.210.01 в Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева аудитории Г-237 по адресу: 152934, г. Рыбинск Ярославской области, ул. Пушкина, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева.

Автореферат разослан « 18 » октября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Б. М. Конюхов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современном машиностроительном производстве в связи с интенсификацией режимов работы различных деталей и увеличением эксплуатационных требований к изделиям в целом большую роль играют отделочные операции. В частности в производстве газотурбинных двигателей большинство деталей подвергается упрочнению поверхностным пластическим деформированием (ППД). Из методов ППД, наиболее часто применяемым, является упрочнение микрошариками. Этот метод отличается наибольшей производительностью, а также широкими возможностями обработки самых разных деталей и отдельных концентраторов напряжений.

В настоящее время большое количество работ посвящено определению глубины пластически деформированного слоя при упрочнении поверхностного слоя микрошариками, однако назначение режимов упрочнения различных деталей основано на эмпирическом опыте упрочнения подобных деталей или материалов. Отработка режимов упрочнения ведется на опытных образцах, что, в свою очередь, увеличивает время отыскания необходимых режимов обработки. Кроме увеличения времени на отработку режимов большую сложность представляет прогнозирование глубины пластически деформированного слоя, а также значений остаточных напряжений в поверхностном слое с учетом напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя, наведенного на последней перед упрочнением механической операции.

Следует отметить, что определенную трудность, при достаточно развитых моделях определения остаточных напряжений и глубины пластически деформированного слоя представляет то, что на сегодняшний день не существует адекватных моделей, описывающих процесс разгона микрошариков различными типами установок для упрочнения. Характеристики процесса разгона необходимы для определения скорости микрошарика при ударе по упрочняемой поверхности.

Цель работы. Повышение эффективности упрочнения поверхностного слоя деталей ГТД микрошариками с учетом технологических возможностей оборудования, реализующих различные способы разгона технологической среды.

Задачи работы.

1. Создание модели взаимодействия одиночного микрошарика с упрочняемой поверхностью.

2. Определение действующей в поверхностном слое детали температуры.

3. Создание моделей распределения упрочняющих воздействий по обрабатываемой поверхности.

4. Создание моделей разгона микрошариков различными типами установок (пневмодробеструйной, гидродробеструйной, лопастной установками).

5. Создание методики оптимизации режимов обработки основе регулирования характеристик имеющегося оборудования.

Научная новизна. Разработана система математических моделей, учитывающих параметры разгона микрошариков на технологическом оборудовании и их взаимодействие с упрочняемой поверхностью. В том числе разработаны:

- модель расчета кинетической энергии микрошариков в зависимости от процесса разгона определенным типом упрочняющей установки;

- модель упруго-пластического ударного взаимодействия микрошарика и упрочняемой поверхности детали;

- модель распределения упрочняющих воздействий по обрабатываемой поверхности, позволяющая рассчитать глубину пластически деформированного слоя и время упрочнения с учетом напряженно-деформированного состояния детали от предыдущей механической обработки. микрошарик поверхностный режим обработка

Практическая ценность. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана комплексная методика управления процессами упрочнения деталей ГТД.

Разработан пакет прикладных программ для расчета технологических параметров, определяющих оптимальные условия упрочнения деталей ГТД.

Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность результатов, научных положений и выводов обеспечивается: использованием фундаментальных положений теоретической механики, теории упругости и пластичности, технологии машиностроения; статистической обработкой экспериментальных данных. Удовлетворительным совпадением результатов расчета и экспериментальных исследований, а также совпадением с результатами численного моделирования методом конечных элементов.

Автор защищает

1. Математическую модель процесса ударного взаимодействия единичного микрошарика с упрочняемой поверхностью.

2. Математическую модель распределения микрошариков по энергиям при различных способах разгона.

3. Методику оптимизации режимов упрочнения на основе характеристик имеющегося упрочняющего оборудования.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены на следующих научно-технических конференциях: «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, 2002 г.); «Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий» (Рыбинск, 2003 г.); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей» (Москва, 2005 г.).

Общая характеристика работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав изложена на 152 страницах текста, включая 97 формул, 22 таблицы, 50 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и поставлены общие задачи исследования.

В главе 1 рассматриваются публикации, отражающие результаты исследований, которые использованы в диссертационной работе.

В первой части сделан обзор современных динамических способов упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. Рассмотрены различные методы упрочнения, их достоинства и недостатки, а также характерные особенности обрабатываемых концентраторов напряжений, возможности по регулированию характеристик оборудования. Кроме того, рассмотрены характерные для каждого способа упрочнения параметры поверхностного слоя в упрочняемых деталях.

Во второй части рассмотрены существующие модели определения глубины пластически деформированного слоя. Были рассмотрены работы таких авторов, как А.П. Бабичев, В.Ю. Блюменштейн, М.С. Дрозд, А.В. Киричек, В.И. Кудрявцев, С.Л. Лебский, М.М. Матлин, Б.П. Рыковский, М.М. Саверин, В.М. Смелянский, А.Г. Суслов, М. А. Тамаркин, А.С. Хейфец, Д.И. Чернявский, Б.У. Шарипов. Данные работы содержат сведения о расчете глубины пластически деформированного слоя, исходя из различных моделей. В рассматриваемые модели входят как модели аналитические, так и эмпирические модели, основанные на экспериментальных исследованиях, например, замерах и сопоставления связи глубины образовавшейся лунки и глубины деформированного слоя. Кроме отечественных авторов, рассмотрен ряд зарубежных исследователей, занимающихся вопросами упрочнения. У многих американских исследователей определение параметров остаточных напряжений описывается корелляционной зависимостью на основе статистических исследований. В частности, у Frank Petit-Renaud приведены статистические зависимости для упрочнения дробью при пневморазгоне, позволяющие определить максимальные значения остаточных напряжений, а также распределение остаточных напряжений в поверхностном слое

В третьей части исследованы особенности динамического образования напряженно-деформированного состояния. Рассмотрены условия формирования упругих волн, особенности напряженно-деформированного состояния с учетом действия упругих волн деформации.

По результатам проработки материалов исследований сделаны выводы, что большинство моделей основаны на квазистатической теории малых упругопластических деформаций Герца. К тому же эти модели не учитывают значительную температуру, возникающую в зоне удара. Также при расчете принято допущение, что первоначально в упрочняемой детали с абсолютно гладкой поверхностью отсутствует какое-либо напряженно-деформированное состояние. Тогда как в реальных деталях присутствует деформации в поверхностном слое от предыдущих механических обработок. Динамические модели, основанные на учете скорости соударения, не могут спрогнозировать скорость полета микрошарика при разгоне в упрочняющей установке.

В главе 2 описана математическая модель соударения единичного микрошарика с упрочняемой поверхностью с учетом температуры в зоне контакта и учетом напряженно-деформированного состояния от предыдущей механической обработки, а также модель распределения упрочняющих воздействий по упрочняемой поверхности.

Модель соударения единичного микрошарика с упрочняемой поверхностью основана на физических соотношениях. Для определения поля напряжений внутри ударно взаимодействующих тел необходимо определить закон распределения энергии в процессе удара. Определение соотношения между количеством энергии, которое расходуется на формирование упругих (обратимых) деформаций в соударяемых телах, и количеством энергии, которое необходимо для формирования пластических (необратимых) деформаций, проводилось на основании законов сохранения энергии и импульса. Такое ударное взаимодействие можно описать следующей системой уравнений

,

, (1)

,

где m_ш, m_д - массы шарика и деформируемого тела, охваченные волнами деформации в момент времени t; v- доударная скорость шарика; u₁, u₂ - послеударные скорости масс m_ш и m_д; F_cp - средняя сила, действующее в интервале времени t; - коэффициент передачи кинетической энергии. На рисунке 1 изображена схема расчета.

Рисунок 1 формирование деформированного объема материала

Решение системы уравнений (1) относительно неизвестных параметров позволяет определить величину приращения упругой деформации h_У за период времени t. Общая упругая деформация за время удара t определялась суммированием приращений. В зоне перехода от упругих деформаций к пластическим происходит определение величины пластических деформаций, которые согласно закону Герстнера развиваются независимо от упругих. Общая пластическая деформация за время удара t также определялась суммированием приращений. Таким образом, на основе системы уравнений определяется глубина пластически деформированного слоя, а также, на основе основных уравнений упругости и пластичности, определяются величины остаточных напряжений.

Температура в зоне деформации от единичного удара определялась исходя из предположения, что часть энергии удара расходуемая на трение и пластические деформации переходит в тепловую. Пластическая деформация локализуется в упрочняемом теле, а трение происходит на поверхности контакта. Таким образом, должен учитываться подогрев в основном упрочняемой поверхности. Температура, сформировавшаяся в деформируемом слое, оказывает влияние на процесс деформации и остаточные напряжения в поверхностном слое. В данной модели рассчитывается средняя температура во всем объеме фронта ударной волны.

Значение средней температуры в зоне деформации за период времени t определялась зависимостью

, (2)

где c_м - объемная теплоемкость упрочняемого материала; r_Т - радиус распространения тепла от зоны контакта, определяемый зависимостью

, (3)

где а_м - температуропроводность упрочняемого материала

В данной главе рассмотрено введение поправки на технологическую наследственность от предшествующей обработки. Данная поправка предусматривает учет предварительных остаточных напряжений в упрочняемой детали от различного вида механической обработки детали непосредственно перед операцией упрочнения детали. На основе экспериментальных исследований А.М.Сулимы, А.Н.Петухова и др. были составлены таблицы со средними свойствами поверхностного слоя после различных механических операций - значения остаточных напряжений и глубины наклепанного слоя.

Для того, чтобы определить необходимое время упрочнения, т.е. необходимое для сплошного покрытия упрочняемой поверхности отпечатками от соударения с дробью, во второй главе описана модель для определения распределения отпечатков по упрочняемой поверхности. Данная модель использует предположение о том, что распределение отпечатков на упрочняемой поверхности образует пуассоновское распределение точек. На основе математического аппарата теории вероятностей и вероятностных моделей распределения упрочнения М.М.Матлина получена зависимость для определения времени упрочнения, необходимого для сплошного покрытия отпечатками упрочняемой поверхности при условии неподвижности упрочняемой детали. Кроме того, в данную модель введены поправки, учитывающие поступательное и вращательное движение детали, а также вероятность соударения подлетающих к поверхности микрошариков с отскочившими от поверхности.

Проведено сравнение полученного аналитического решения с решением задачи соударения методом конечных элементов и экспериментальными опытами..

В главе 3 исследованы энергетические возможности разгона микрошариков различными видами упрочняющих установок.

При разгоне струей сжатого воздуха расчеты скорости полета микрошарика начинаются с расчетов параметров воздушной струи, в зависимости от рабочего давления в установке. Далее под действием аэродинамической силы на основе закона равноускоренного движения вычисляется скорость движения единичного микрошарика. На рисунке 2 приведены графики скорости единичного микрошарика на оси струи.

1 - давление 0,3 МПа, диаметр микрошарика 0,3 мм

2 - давление 0,3 МПа, диаметр микрошарика 1 мм

3 - давление 0,5 МПа, диаметр микрошарика 0,3 мм

4 - давление 0,5 МПа, диаметр микрошарика 1 мм

Рисунок 2 Скорость микрошариков при разгоне газовой средой

Ввиду того, что скорость струи не одинакова по всему радиусу струи, а уменьшается по мере удаления от центра к периферии, при обработке поверхности в различных точках скорость микрошариков будет различной.. Для того чтобы в расчетах механических характеристик поверхностного слоя использовать средние значения энергии микрошарика по всему сечению струи была разработана модель распределения потока микрошариков по энергиям, в зависимости от значения скорости единичного микрошарика на оси струи. Функция распределения по энергиям (по аналогии с распределением Больцмана по энергиям) принята в виде

, (4)

где - функция распределения; е - основание натурального логарифма; Еср - средняя энергия металлических шариков; Е - текущая (произвольная) энергия; А - нормирующий множитель, определяемый соотношением

. (5)

При гидродробеструйной обработке также разработана модель разгона микрошариков жидкостной средой. Данная модель предусматривает такую же последовательность расчетов параметров струи, а затем скорости единичного микрошарика на оси струи, с последующим определением средней энергии микрошарика в определенном сечении струи. Скорость единичного микрошарика на оси струи при разгоне жидкостной средой представлена на рисунке 3.

При обработке дробеструйной установкой разработана модель определения скорости полета микрошарика в зависимости от диаметра дробеметного колеса, а также его скорости вращения.

Кроме того, в третьей главе представлена разработанная модель для расчета снижения скорости полета микрошарика при прохождении его через слой масла в случае гидродробеструйной обработки. Данная модель позволяет более точно определить значение скорости микрошарика у металлической поверхности при прохождении его через слой жидкости.

1 - диаметр микрошарика 0,3 мм;

2 - диаметр микрошарика 1 мм.

Рисунок 3 Скорость полета микрошарика при разгоне водной струей

В главе 4 приведены результаты экспериментальных исследований упрочнения деталей ГТД при различных способах упрочнения. В первой части приведены данные по упрочнению лопаток компрессора и образцов из материала ВТ9 и ЭП787ВД.

Во второй части приведены полные данные по упрочнению замка лопатки турбины из жаропрочного сплава (рисунок 4). Упрочнение производилось на дробеструйной установке.

Рисунок 4 лопатка турбины

В лопатках до упрочнения производился замер остаточных напряжений. Эпюры распределения остаточных напряжений в замке лопатки до упрочнения представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 Распределение остаточных напряжений в замке лопатки со стороны спинки (1) и со стороны корыта (2) до упрочнения

В таблице 1 приведены величины максимальных сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое замков лопаток до, и после упрочнения.

Таблица 1

Параметры поверхностного слоя после упрочнения

Кроме того, после исследования упрочнения, были проведены исследования термостабильности упрочнения. Для этого лопатки, упрочненные в течение 3 минут помещались в печь при температуре 600°С и 700°С. В течение 50 и 150 часов. Экспериментальные исследования позволили установить, что при выдержке в печи в течение 150 часов при температуре 700°С снижение значений остаточных напряжений сжатия составило порядка 18 %

В главе 5 представлена методика оптимизации упрочнения в виде математической модели управления процессами упрочнения по заданным выходным параметрам напряженно-деформированного состояния.

Создание общего алгоритма расчетов можно представить в виде постановки задачи математического программирования. В соответствии с решаемой задачей целевой функцией в данном случае является достижение наибольшей производительности обработки, т.е. достижение минимального времени обработки. Реализация целевой функции достигается при условии наличия ряда ограничений, установленных в соответствии с требованиями к качеству поверхностного слоя деталей, кроме того, существует также ряд ограничений, не связанных с качеством деталей и обусловленных возможностями эксплуатации упрочняющей установки и упрочняющего тела (микрошариков). Такие ограничения влияют на выбор управляющих параметров при расчете и сужают диапазон допустимых решений.

При упрочнении дробеструйной обработкой целевая функция минимизации принимает вид

(6)

где - диаметр отпечатка; - расход микрошариков с учетом коэффициентов, отражающих распределение микрошариков по энергиям и взаимное соударение микрошариков; - угол падения микрошариков; - расстояние от дробемета до обрабатываемой детали; - время обработки; m - масса микрошарика; - величина, характеризующая сплошное покрытие поверхности отпечатками.

Согласно имеющимся представлениям данная система ограничений сводится к следующим условиям:

- диапазон изменения величины давления рабочей жидкости

P_{о min} P_о P_{о max} ;

- диапазон изменения расстояния от сопла до обрабатываемой детали L_{p min} L_p L_{p max} ;

- диапазон изменения диаметра микрошариков d_{p min} d_p d_{p max} ;

- диапазон изменения скорости вращения ротора дробемета (для дробеструйной установки) щ_{р min} щ_p щ_{p max};

- диапазон изменения частоты вращения или линейной скорости обрабатываемой детали V_{р min} V_p V_{p max};

На рисунке 6 приведена блок-схема алгоритма оптимизации операции упрочнения.

Рисунок 6 блок-схема алгоритма оптимизации операции упрочнения

Компьютерная программа выбора режимов упрочнения подразумевает следующие шаги

а) ввод необходимых исходных данных о производственном оборудовании и инструменте, находящемся в наличии у технолога, который должен задавать параметры упрочнения деталей;

б) ввод необходимых сведений об обрабатываемой детали;

в) ввод необходимых выходных данных о свойствах поверхностного слоя обрабатываемой детали;

г) вычисление результатов упрочнения во всем спектре характеристик оборудования для упрочнения:

д) поиск результата, отвечающего критерию оптимизации.

Общие выводы по работе

По итогам выполненной диссертационной работы можно сделать следующие основные выводы

1. Разработанная модель соударения единичного микрошарика с упрочняемой поверхностью позволила получить результаты расчета параметров поверхностного слоя с учетом волновых явлений, температуры в зоне деформации, а также предварительного напряженного состояния.

2. Сравнение результатов расчета величины деформации материала по разработанной модели с результатами по конечно-элементной модели в пакете LS-Dyna и экспериментальными данными позволило сделать вывод об удовлетворительном соответствии расчетной модели и экспериментальных данных с погрешностью менее 24 %.

3. Разработанные модели разгона потока микрошариков газовой и жидкостной средами, а также лопастной установкой позволили определить скорость микрошариков на оси струи на любом расстоянии от сопла установки.

4. Разработанные модели распределения микрошариков по энергиям и потерь энергии при прохождении микрошарика через слой жидкости позволили учесть потери энергии микрошариков и определить наиболее вероятную энергию и скорость микрошарика при подлете к упрочняемой поверхности.

5. Выполненные экспериментальные исследования упрочнения различных деталей ГТД позволили определить зависимость параметров поверхностного слоя при различных схемах обработки, а также изучить влияние длительного нагрева на параметры поверхностного слоя упрочненных деталей.

6. Разработанная методика оптимизации процесса упрочнения позволила определить наилучшие технологические условия упрочнения при заданных характеристиках оборудования при минимальной продолжительности обработки с сохранением заданных показателей качества поверхностного слоя.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах

1. Волков Д.И., Разработка конструкции установки для упрочнения поверхностей деталей микрошариками [Текст] / Волков Д.И., Гущин А.Ю. // Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции: В 3-х ч./Под ред. Б.Н. Леонова. Рыбинск: РГАТА, 2002. Ч.2. С. 58.

2. Волков Д.И., Расчет напряженного состояния поверхностного слоя деталей при упрочнении микрошариками [Текст] / Волков Д.И., Гущин А.Ю. // Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции: В 3-х ч./Под ред. Б.Н. Леонова. Рыбинск: РГАТА, 2002. Ч.2. С. 59.

3. Леонов Б.Н., Определение параметров движения микрошариков при разгоне газообразной и жидкостной средами [Текст] / Леонов Б.Н., Барановский Б.В., Гущин А.Ю. // Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий: Материалы Российской научно-технической конференции. - Рыбинск: РГАТА, 2003. С. 287 - 290.

4. Волков Д.И., Математическая модель взаимодействия единичного микрошарика с упрочняемой поверхностью [Текст] / Волков Д.И., Гущин А.Ю. // Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий: Материалы Российской научно-технической конференции. Рыбинск: РГАТА, 2003. С. 290 - 294.

5. Гущин А.Ю., Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния деталей ГТД средствами ANSYS [Текст] / Гущин А.Ю., Михайлов А.Л // Проблемы создания перспективных авиационных двигателей: тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Москва: ЦИАМ, 2005. С. 242-244.

6. Волков Д.И., Модель соударения микрошарика с упрочняемой поверхностью при дробеструйной обработке [Текст] / Волков Д.И., Гущин А.Ю. // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А.Соловьева. Рыбинск, 2005. С. 131-139.

7. Волков Д.И., Определение параметров поверхностного слоя при упрочнении микрошариками [Текст] / Волков Д.И., Гущин А.Ю. // Упрочняющие технологии. 2006. №11. С. 12-14.

Размещено на Allbest.ru