Расчет припусков при обработке резанием вала турбонасосного агрегата

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.91.01

Сибирский государственный аэрокосмический университет

им. академика М.Ф. Решетнева

РАСЧЕТ ПРИПУСКОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ ВАЛА ТУРБОНАСОСНОГО АГРЕГАТА

В.В. Краев

Г.Г. Крушенко

Основным направлением развития производства жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) является повышение его конкурентоспособности за счет совершенствование технологии производства деталей ЖРД при одновременной снижении их себестоимости и сокращения сроков проектирования и подготовки производства новых двигателей. Для решения проблем, связанных с производством серийных ЖРД широко применяют высокопроизводительное оборудование и новые прогрессивные методы обработки для изготовления деталей, а также путем внедрения новых информационных технологий в процесс проектирования и подготовки серийного производства двигателей. Успешное внедрение новых информационных технологий возможно только при условии новых научных знаний по используемым методам обработки, что находит свое отражение в базах данных различных информационных систем.

Вал ротора турбонасосного агрегата (ТНА) являясь одной из наиболее нагруженных деталей этого важного узла жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), в значительной степени определяет надежность его работы. Основные операции по изготовлению вала относятся к обработке резанием стальной прокатной заготовки с применением токарного станка. Однако при этом, как правило, припуски на обработку назначают по таблицам нормативных величин, что приводит к их завышению, и, как результат, к перерасходу дорогостоящего материала, к увеличению трудоемкости механической обработки, к повышению расхода режущего инструмента и электроэнергии. К тому же, неправильное назначение припусков не обеспечивает удаление дефектных слоев металла, достижения требуемой точности и качества поверхности. Поэтому установление минимальных припусков на механическую обработку вала способствует как снижению трудоемкости изготовления двигателя, так и повышению его ресурса.

В связи с этим задачей работы явилось совершенствование расчетно-аналитического метода определения припусков на обработку, применение которого позволяет назначать оптимально-минимальные припуски на операции механической обработки при одновременном обеспечении требуемой точности. Метод представляет собой систему, включающую методики обоснованного расчета припусков, увязку расчетных межоперационных припусков с предельными размерами в зависимости от геометрической точности и качества обрабатываемой поверхности, погрешности закрепления детали.

Разработка программ начинается не с кодирования на одном из языков программирования. Так можно создавать только очень маленькие несложные программы. Но чем крупнее программа, тем более основательного подхода она требует. Создание большой программы похоже на проектирование и изготовление сложной машины, поэтому мы употребляем термин "разработка", а не "программирование". Программирование - один из этапов разработки, причем, не самый первый.

Принято следующее деление процесса разработки на этапы:

1. Анализ требований, с определением спецификаций 20%

2. Проектирование 15%

3. Кодирование (программирование) 20%

4. Тестирование 45%

в том числе:

комплексное 20%

автономное 25%

Эксплуатация и сопровождение занимает примерно 2/3 от общего времени

Существуют требования к программному продукту. Требования могут быть функциональные и эксплуатационные. Первые касаются алгоритмов, процессов обработки информации, а именно:

- вида информации, которую предполагается хранить и обрабатывать;

- различных отчетов (времени их выдачи, получателей, количества экземпляров и т.д.);

- пользовательского интерфейса (т.е. всего того, что видит на экране

пользователь);

- защиты информации и контроля доступа к ней разных пользователей;

- создания резервных копий информации для восстановления ее при случайной или преднамеренной порче.

К эксплуатационным требованиям можно отнести следующие:

- производительность программы (скорость обработки, время реакции программы на запрос пользователя и т.п.);

- требования к аппаратным средствам (оперативная память, быстродействие процессора и т.п.).

Анализ научно-технической литературы [1-4] показывает, что эксплуатационные свойства деталей машин (например, вал ротора ТНА) зависят от системы параметров качества их рабочей поверхности: макроотклонения Hmax, Hp; волнистости Wz, Wp, Smw; шероховатости Ra, Rz, Rmax, Rp (максимальная высота пика профиля), Sm, S, tp; субшероховатости R?max, Sm?. При этом на основе анализа этих источников можно сделать заключение, что применяемые методы определения припусков охватывают только небольшую часть данных параметров. Для сокращения времени и затрат на инженерные разработки целесообразно применение компьютерного проектирования с помощью CAD/CAM/CAE-систем. С условием специфичных требований к ТНА появляется возможность сократить время технологической подготовки производства, сократить время проектирования изделия, повысить качество эксплуатационных характеристик. В работе подробно представлена методика расчета припусков и допусков на механическую обработку, на базе которой разработана структурная схема и блок-схема разработанной программы. Схемы позволяют четко представлять структуру построения программы, при этом сокращается время и упрощается внесение необходимых изменений в программу. В ходе работы программы параметры каждой операции рассчитываются методом итераций, пока не будет достигнута достаточная заданная точность обработки, используются следующие формулы [5, 6]:

Для расчетного припуска:

где Rz и h - параметры шероховатости текущей операции; - погрешность поверхностного слоя; ? - погрешность закрепления в приспособлении; i - номер перехода. С учетом зависимости (1) минимальный и максимальный диаметры вала определяются с применением следующих зависимостей: силовой агрегат ротор турбонасосный

Di = Di+1 + 2z

Dmax = D +TD

где TD - допуск размера по квалитету, мм.

Максимальный и минимальный допуски определяются по следующим зависимостям:

zmax = Dmaxi-1 - Dmaxi

zmin = Di-1 - Di

В разработанной программе используется 25 таблиц в базе данных, обеспечивающих ее работу. Система исходных уравнений для расчета факторов, влияющих на отклонения величины напора насоса, складывается из составляющих. Основными параметрами, влияющими на стабильность напора насоса, являются отклонения за счет изменения конструктивных параметров деталей и их взаимного положения дHк, обусловленные конструкторской документацией на изготовление и сборку, а также отклонения за счет точности поддержания режима работы насоса дHреж. Указанные отклонения регламентируются конструкторской документацией и техническими условиями на данный агрегат и определяют конструктивно-технологические факторы стабильности его производства. Методика расчета и последующий анализ влияния составляющих конструктивно-технологических факторов на стабильность параметров насоса основаны на решении уравнений, определяющих функциональную зависимость исследуемого параметра от конструктивно-технологических факторов. Функциональная зависимость для каждого класса насосов излагается в виде конкретной формулы, учитывающей характер гидравлических потерь в проточной части насоса. Например, анализ величины отклонений, влияющих на напор факторов [7, 8], показал, что все они имеют малые относительные значения. Кроме простоты анализа, полученные выражения позволяют на стадии проектирования насоса, с учетом удельного вклада каждого параметра, влияющего на стабильность характеристик, обеспечивать заданную стабильность с минимальными затратами на подготовку к производству и при выпуске продукции с учетом влияния технологического наследования. Количественная оценка качества насосных агрегатов проводится в целях проверки ее соответствия заданным техническим заданием требованиям и получения более точных характеристик надежности ракетного комплекса. По результатам оценок надежности ТНА принимаются меры по конструкторскому, технологическому и эксплуатационному обеспечению требуемого уровня стабильности двигателя, проводится планирование затрат. Количество выделяемых в насосном агрегат структурно-функциональных элементов устанавливается из условия максимального использования разнородной информации по испытаниям ТНА и его агрегатов с учетом количества требуемых циклов и режимов работы в составе изделия, а также физических свойств, определяющих надежность изделия. При наличии информации по измеряемому параметру работоспособности изделия и требований к допустимому (верхнему или нижнему) пределу изменения этого параметра используется модель «параметр-одностороннее поле допуска». Разработанная методология может быть применена в качестве универсального инструмента при анализе вновь проектируемого технологического процесса, при назначении того или иного метода обработки деталей аэрокосмического назначения с целью оценки экономичности изготовления деталей.

Анализ результатов по формированию шероховатости поверхностей при различных методах обработки [9-10] позволяет сделать вывод, что в общем случае на образование шероховатости при механической обработке влияют геометрия рабочей части инструмента и кинематики его рабочего движения относительно обрабатываемой поверхности; колебательные перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности; упругие и пластические деформации обрабатываемого материала заготовки в зоне контакта с рабочим инструментом; шероховатость рабочей части инструмента; вырывы частиц обрабатываемого материала. Наибольшее влияние на образование шероховатости оказывает подача при ее значениях S ? 0,08 мм/об. При S < 0,08 мм/об. шероховатость определяется в основном радиусом при вершине резца, его шероховатостью, радиусом скругления режущей кромки и физико-механическими свойствами обрабатываемого материала и материала режущей кромки инструмента. Повышение предела текучести и уменьшение сдвиговой прочности обрабатываемого материала приводят к увеличению минимально достигаемой шероховатости при лезвийной обработке. Таким образом, шаговые параметры шероховатости поверхности при лезвийной обработке в основном определяются подачей. Основная опорная длина профиля шероховатости является стабильной и практически не зависящей от режимов лезвийной обработки. В результате расчет припусков на механическую обработку сложных деталей определяется параметрами заготовки как исходными параметрами для всех операций.

К программному обеспечению предъявляются следующие требования: универсальность, точность, адекватность и экономичность, которым и отвечает разработанная программа Raschet, позволяющая рассчитать достаточные припуски и допуски на механическую обработку с учетом технологической наследственности детали. В результате не только конструктор получает размеры и параметры заготовки, которой достаточно для изготовления ротора, но и технолог. Применение программы рассмотрено на примере вала, изготовляемого из стали 12Х18Н10Т при КИМ не менее 0,5; масса заготовки - 10 кг; наибольший размер диаметра Ш 78h8 с шероховатостью Ra 1,6; суммарная длина - 201 мм ; общая шероховатость Ra 1,6. Согласно программе получаем длину проката с округлением до ближайшего - 207 мм, диаметр проката - 80 мм. Исходя из размеров заготовки и марки материала, масса заготовки составляет 7,9 кг. Экономический эффект составляет 21 %. КИМ составляет 0,66 (масса детали 5,2 кг).

Таким образом, в результате проведенной работы проработан и значительно расширен расчетно-аналитический метод определения припусков на механическую обработку с учетом технологической наследственности и накопленного статистического материала и установлены механизмы их влияния на точность механической обработки. Определена значимость влияния факторов на точность обработки валов ротора ТНА. Разработаны этапы методики, которые позволяют обеспечить повышение качества валов ротора ТНА за счет обеспечения требуемой стабильности обработки и снижения трудоемкости.

Библиографические список

1. Маталин, А. А. Технология машиностроения / А. А. Маталин. - 2-е изд. - СПб.: Лань, 2008. - 512 с.

2. Тамаркин, М. А. Технология машиностроения / М. А. Тамаркин, В. А. Лебедев, Д. П. Гепта. - М.: Феникс, 2008. - 361 с.

3. Схиркладзе, А. Г. Технологические процессы в машиностроении / А. Г. Схиркладзе. - М.: Высш. шк., 2007. - 928 с.

4. Виноградов, В. М. Технология машиностроения / В. М. Виноградов. - М.: Академия, 2006. - 176 с.

5. Холодкова, А. Г. Общая технология машиностроения / А. Г. Холодкова. - М.: Академия, 2009. - 224 с.

6. Радкевич, Я. М. Расчет припусков и межпереходных размеров в машиностроении / Я. М. Радкевич, В. А. Тимирязев, А. Г. Схиртладзе и др. - М. : Высш. шк., 2007. - 272 с.

7. Гахун, Г. Г. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей / Г. Г. Гахун, В. В. Баулин. - М.: Машиностроение, 1989. - 213 с.

8. Присняков, В. Ф. Динамика жидкостных ракетных двигательных установок / В. Ф. Присняков. - М.: Машиностроение, 1983. - 248 с.

9. Суслов, А. Г. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений/ А. Г. Суслов, В. П. Федоров, О. А. Горленко. - М.: Машиностроение, 2006. - 448 с.

10. Харламов, Г. А. Припуски на механическую обработку / Г. А. Харламов, А. С. Тарапанов. - М.: Машиностроение, 2006. - 256 с.

Аннотация

При изготовлении деталей силовых агрегатов летательных аппаратов важнейшим фактором является масса каждого элемента конструкции. И эта характеристика каждой детали определяется как удельным весом сплава, из которого она изготовляется, так и выбором припусков на обработку. В настоящей работе описан расчетно-аналитический метод выбора минимальных припусков при изготовлении механической обработкой из стального проката вала ротора турбонасосного агрегата (ЖРД), который являясь одной из наиболее нагруженных деталей этого важного узла двигател, в значительной степени определяет надежность его работы.

Ключевые слова: силовые агрегаты, вал ротора, механическая обработка, припуски

Размещено на Allbest.ru