Наукові основи фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток газотурбінних двигунів літальних апаратів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наукові основи фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток газотурбінних двигунів літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми визначено високими вимогами, які пред'являють до газодинамічних та міцністних характеристик газотурбінних двигунів літальних апаратів нового покоління.

Тому створення високоресурсних та надійних двигунів літальних апаратів - найважливіша задача сучасного двигунобудування, основною проблемою якого є здобуття потрібних газодинамічних та міцністних характеристик лопаток компресора і турбіни.

Одним із напрямків досягнення високих значень експлуатаційних характеристик лопаток газотурбінних двигунів (ГТД) є розробка механізованих процесів фінішної обробки їх аеродинамічних поверхонь, які забезпечують високий рівень продуктивності праці, точності, стабільності форми, геометричних розмірів та параметрів якості поверхневого шару.

У роботі приведено результати розробок, які виконувались відповідно до цільових комплексних програм МАП, науково-технічних програм Міністерства машинобудування, ВПК та конверсій України («Розвиток авіаційного комплексу України до 2000 року, Технологія-96»).

У дисертації узагальнено більш ніж двадцятирічний досвід автора в розробці наукових основ прогресивних технологічних процесів механізованої фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток і створенні, освоюванні та впроваджуванні у серійне виробництво газотурбінних двигунів комплексу нового спеціалізованого обладнання.

Мета та задачі роботи.

Мета - вирішення науково-технічної проблеми фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток, яка зв'язана з підвищенням продуктивності обробки і поліпшенням якості їх виготовлення при виробництві газотурбінних двигунів нового покоління.

В роботі поставлено та вирішено такі задачі:

проведено класифікацію лопаток та обробляємих аеродинамічних поверхонь;

сформульовано основні теоретичні принципи механізованої фінішної обробки аеродинамічних поверхонь;

проведено теоретичний аналіз впливу технологічних методів та технологічної спадковості на експлуатаційні характеристики лопаток;

розроблено високоефективні способи фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток;

проведено теоретичне дослідження розроблених фінішних методів обробки;

проведено експериментальні дослідження розроблених фінішних методів обробки, в результаті яких визначено фізичні та енергетичні характеристики процесів, параметри точності та якості обробки, раціональні режими та умови обробки;

розроблено способи управління процесами фінішної обробки;

проведено теоретичний аналіз впливу режимів та умов поверхневого пластичного деформування на параметри якості поверхневого шару;

виконано експериментальні дослідження по визначенню вплива методів механізованої фінішної обробки, режимів, умов обробки та сполучення параметрів якості поверхневого шару на величину межі витривалості лопатки;

розроблено технологічні рекомендації з фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток;

розроблено, освоєно та впроваджено механізовані процеси фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток та технологічне обладнання в серійне виробництво газотурбінних двигунів.

Метод дослідження.

В роботі використано фундаментальні положення теорії шліфування, поверхневого пластичного деформування та технології виробництва газотурбінних двигунів для літальних апаратів.

Дослідження виконано з використанням методів математичної статистики, планування одного та багатофакторного експерименту, методів математичного моделювання, сучасних фізичних методів дослідження технологічних процесів.

Експериментальна частина досліджень проводилась на модернізованих верстатах, спеціально розроблених установках з використанням сучасної контрольно-вимірювальної апаратури.

Достовірність результатів роботи.

Обгрунтованість та достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується використанням сучасного математичного апарату, науково-обгрунтованих методик досліджень, використанням наукової апаратури для експериментальних досліджень, широким впровадженням результатів роботи у виробництво газотурбінних двигунів для авіаційних літальних апаратів.

Наукова новизна.

Розроблено наукові основи і виконано комплексне системне дослідження фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток газотурбінних двигунів, відмітною особливістю яких є розкриття фізичної суті розроблених механізованих процесів фінішної обробки та їх вплив з урахуванням режимів, умов та технологічної спадковості на експлуатаційні параметри лопаток.

Розроблено класифікатор лопаток та обробляємих ділянок їх аеродинамічних поверхонь.

Розроблено та сформульовано основні теоретичні принципи механізованої фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток ГТД.

Розроблено математичні моделі технологічного забезпечення та впливу технологічної спадковості на величину межі витривалості лопатки у процесі виконання фінішної операції, на основі яких получено аналітичні залежності для визначення його величини.

Установлено критерій стабільності величини межі витривалості лопатки та аналітичні залежності для визначення його величини від відхилення параметрів якості поверхневого шару від їх оптимальних значень.

Одержано аналітичні рівняння для визначення силових та енергетичних характеристик при формоутворенні аеродинамічної поверхні та установлено вплив параметрів схем формоутворення на їх стабільність.

Установлено аналітичні рівняння для визначення кінематичної та режимної погрішностей обробки.

Розроблено нові технологічні процеси фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток ГТД. Новизна розроблених процесів підтверджена авторськими свідоцтвами на винаходи.

Установлено емпіричні залежності для визначення фізичних характеристик процесів, параметрів точності та якості обробки аеродинамічних поверхонь.

Розроблено спосіб керування процесами фінішної обробки.

Виявлено аналітичні та емпіричні закономірності для визначення основних параметрів якості поверхневого шару від режимів та умов зміцнення і величини межі витривалості від режимів обробки та сполучення параметрів якості поверхневого шару.

Розроблено технологічні рекомендації по фінішній обробці аеродинамічних поверхонь лопаток ГТД.

Практична цінність.

Результати проведених досліджень було використано:

при розробці технологічних рекомендацій для фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток ГТД;

при створенні комплексу нового спеціалізованого обладнання для механізованої фінішної обробки аеродинамічних поверхонь окремих лопаток, лопаток у секторах, моноколес.

Реалізація результатів роботи.

Розроблені технологічні процеси фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток ГТД, комплекс спеціалізованого технологічного обладнання впроваджено на моторобудівних авіаційних заводах та організаціях України - ВАТ «Мотор Сич», ЗМКБ «Прогресс», а також в авіаційній та ракетно-космічній галузі Росії при виробництві двигунів для літаків, вертольотів та ракети «Энергия» виробу «Буран».

Реалізація результатів роботи дозволила:

в 3-20 разів підвищити продуктивність обробки;

підвищити ресурс лопаток і в цілому двигунів;

знизити трудомісткість фінішної обробки на 670 н/г на один виріб;

одержати сумарний річний економічний ефект тільки у виробництві більш 700 тис. грн.

Особистий внесок автора.

Основна частина ідей, теоретичних, експериментальних та практичних розробок дисертації належить автору особисто.

Розроблені технічні рішення способів та нового обладнання фінішної обробки лопаток ГТД захищено авторськими свідоцтвами на винахід спільно з співробітниками НДІД, прізвища яких приведено в переліку публікацій.

Експериментальні розробки та впровадження виконано спільно з співробітниками НДІД, прізвища яких приведено в науково-технічних звітах та актах впровадження.

Апробація роботи.

Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних, всесоюзних, галузевих науково-технічних конференціях та науково-технічних радах:

На VI, VIІ Міжнародних науково-технічних конференціях «Нові конструкціонні сталі та сплави і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів», м. Запоріжжя, 1995, 1998 р. (зроблено 4 доповіді).

На ІІ, ІІІ, ІV Всесоюзних науково-технічних конференціях «Нові конструкціонні сталі та сплави і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів», м. Запоріжжя, 1983, 1986, 1989 р. (зроблено 5 доповідей).

На науково-технічній конференції Запорізького машинобудівного інституту, м. Запоріжжя, 1988 р. (зроблено 1 доповідь).

На науково-технічній конференції «Проблеми підвищення якості та надійності продукції, яка випускається на підприємствах двигуно та агрегатобудування», м. Перм, 1987 р. (зроблено 2 доповіді).

На засіданні науково-технічної ради НДВ-2150 НДІД, ДНВП «Опыт» м. За-поріжжя, 1982-1996 р. (17 доповідей).

На секції Наукової ради НДІД з спеціальності «Технологія виробництва літальних апаратів», Москва, 1990, 1991 р. (2 доповіді).

На засіданні науково-технічної ради ВАТ «Укр. НДІАТ» з спеціальності «Технологія виробництва літальних апаратів», Київ, 1999 р. (зроблено 1 доповідь).

Публікації.

Результати роботи опубліковано в 71 науковій праці, в тому числі опубліковано 25 статей в фахових виданнях; 7 тез. доповідей та 39 авторських свідоцтв.

Структура і обсяг роботи.

Дисертація складається з вступу, семи розділів, загальних висновків, списку літератури та додатка.

Обсяг:

292 сторінки машинописного тексту, 163 рис., 12 таблиць.

Основний зміст роботи

пластичний деформування лопатка технологічний

В передмові обґрунтовано необхідність нового комплексного застосування технологічних методів фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток, актуальність дисертації, відображено методику досліджень та практичну цінність роботи. Представлено основні положення та результати, які винесено на захист.

В першому розділі на основі аналізу масиву лопаток, виготовляємих при виробництві сучасних ГТД, розроблено класифікатор лопаток та обробляємих ділянок аеродинамічних поверхонь. Класифікатор для кожного з установленого класу лопаток визначає ділянки аеродинамічних поверхонь, які підлягають фінішній обробці.

Розроблено класифікатори відомих з літературних джерел методів та схем фінішної обробки спинки та корита, кореневих ділянок пера, вхідних та вихідних кромок пера лопаток. Проведено аналіз технологічних можливостей кожного з виявлених методів, схем фінішної обробки та серійних технологічних процесів виготовлення сучасних газотурбінних двигунів, на основі якого зроблено висновок, що на остаточних фінішних операціях технологічних процесів виготовлення лопаток обробка їх аеродинамічних поверхонь, в основному, відбувається вручну, що приводить до зниження ресурса лопаток, а також к.к.д. та ресурса виробу в цілому.

Сформульовано мету та намічено путі вирішення проблеми, реалізація якої через їх новизну, а також необхідності доведення до практичного використання вимагає проведення комплексу теоретичних, експериментальних, дослідно-конструкторських, технологічних та інших робіт.

В другому розділі проведено теоретичний аналіз механізованої фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток ГТД.

В основу механізованого формоутворення при фінішній обробці складнопрофільних аеродинамічних поверхонь покладено такі принципи:

формоутворення поверхонь спинки, корита, вхідних та вихідних кромок пера лопатки здійснюється методом обгинання відповідно до рівнянь:

, (1)

де - сімейство кривих у плоскості поперечного перерізу аеродинамічної поверхні, які утворюються інструментом при зміненні параметру ;

- параметр положення інструмента відносно обробляємої поверхні в процесі її формоутворення;

знімання припуску при шліфуванні аеродинамічної поверхні відбувається відповідно до прийнятої математичної моделі:

, (2)

де h - величина припуску, який знімається, в зоні контакту інструмента та обробляємої поверхні лопатки;

K₁ - коефіцієнт пропорційності, величина якого визначається типом абразивного інструмента, матеріалом обробляємої деталі та умовами обробки;

p - тиск в зоні контакту інструмента та обробляємої поверхні деталі;

V - швидкість різання;

базування інструмента при механізованому формоутворенні вхідних та вихідних кромок пера лопатки виконується по реальному профілю кромки відповідно до рівнянь:

, (3)

де x_kn, z_kn - координати поверхні кромки в n - ому поперечному перерізі пера лопатки;

x_un, z_un - координати інструмента в n - ому поперечному перерізі пера лопатки;

формоутворення ділянок сполучення поверхні пера з поличками, включаючи і антивібраційні, виконується абразивною стрічкою методом безпосереднього копіювання відповідно для прийнятої математичної моделі, яка представлена рівнянням:

, (4)

де x_ky, z_ky - координати робочої поверхні контактного елементу в залежності від координати y;

- товщина абразивної стрічки;

- деформація абразивної стрічки в зоні контакту в направленні відпо-відно до координат x і z залежно від координати y;

h_xy, h_zy - величина припуску, який знімається, на обробляємих поверхнях в направленні відповідно до координат x і z залежно від координати y;

x_gy, z_gy - координати поверхонь кореневих ділянок лопатки, які утворюються, в залежності від координати y;

управління кінематикою формоутворення здійснюється із умови мінімальної величини кінематичних погрішностей:

, (5)

де - сумарна величина кінематичної погрішності при формоутворенні поверхонь спинки та корита;

- сумарна величина кінематичної погрішності при формоутворенні вхідної та вихідної кромок;

- сумарна величина кінематичної погрішності при формоутворенні кореневих ділянок;

управління режимними параметрами здійснюється виходячи з наступних рівнянь:

, (6)

де - контактна температура в зоні обробки;

- контактна температура, при якій в поверхневому шарі обробляємої аеродинамічної поверхні утворюються припікання;

- погрішність форми округлення, обусловлена відхиленням режимних параметрів від оптимальних значень;

- допустима величина знімання припуску в направленні середньої лінії кромкових ділянок;

при виконанні фінішної обробки аеродинамічних поверхонь прийнята математична модель технологічного забезпечення межі витривалості лопатки, представлена диференціальним рівнянням:

. (7)

Відповідно до диференціального рівняння (7) установлено аналітичну залежність для визначення поточного значення межі витривалості в ході виконання фінішних операцій:

, (8)

де - поточне значення межі витривалості лопатки;

t - сумарний технологічний час фінішних операцій;

K₂ > 0 - коефіцієнт пропорційності;

- максимально можливе значення межі витривалості, яке можна досягти для даної конструкції лопатки та ії матеріалу;

- відносна величина підвищення межі витривалості;

- початкова величина межі витривалості лопатки перед виконанням заключних фінішних операцій;

потрібна величина межі витривалості досягається за рахунок оптимізації сполучення параметрів якості поверхневого шару відповідно до прийнятої функціональної залежності:

, (9)

де - відповідно залишкові напруження стиснення та глибина їх розповсюдження в поверхневому шарі;

R_а - шорсткість обробленої поверхні;

H₅₀, h_s - відповідно мікротвердість та глибина наклепу поверхневого шару.

Стабільність одержання заданої величини межі витривалості оцінюється за допомогою запропонованого критерію :

, (10)

де - передаточна функція;

- відхилення значення аргументу;

n - число аргументів.

Установлено звязок критерія стабільності з відхиленням параметрів якості поверхневого шару від їх оптимальних величин:

, (11)

де - передаточні функції;

- відхилення величин залишкових напружень стиснення, глибини їх розповсюдження, шорсткості, мікротвердості та глибини наклепу поверхневого шару від їх оптимальних значень.

Вплив технологічної спадковості на межу витривалості лопатки при одночасному діянні на поверхневий шар аеродинамічної поверхні силового та температурного факторів в процесі виконання фінішної обробки описується за допомогою математичної моделі:

, (12)

де - швидкість зміни величини межі витривалості , обумовленої силовим фактором;

- швидкість зміни величини межі витривалості , обумовленої температурним фактором;

- величина зміни межі витривалості лопатки під впливом силового фактору;

- величина зміни межі витривалості лопатки під впливом температурного фактору;

K₃ і K₄ >0 - коефіцієнти пропорційності, які характеризують відповідно ступінь впливу силового та температурного факторів на зміну величини межі витривалості лопатки із конкретного матеріалу.

Установлено характер та область технологічного успадкування в відносних одиницях експлуатаційних властивостей () лопаткою під впливом силового p та температурного факторів в процесі виконання фінішних операцій (рис. 1).

Зроблено висновок, що для виготовлення лопаток з високим рівнем величини межі витривалості необхідно розробити такі технологічні методи фінішної обробки, які б забезпечували переважання в зоні обробки силового фактору над температурним з високою його стабільністю.

Одержано аналітичні залежності для коефіцієнту стабільності складаючої сили шліфування P_z для кожного з розглядаємих варіантів схем формоутворення, зокрема, і для фінішної обробки спинки та корита:

, (13)

, (14)

де - коефіцієнти стабільності складаючої сили шліфування P_z відповідно з подачею на рядок при поступальному переміщенні інструмента уздовж осі лопатки і з подачею на рядок при періодичному повороті лопатки;

r_u - радіус кривизни інструмента, мм;

- радіус кривизни кривої, яка утворює переріз лопатки, мм.

Проведено оцінку стабільності схем формоутворення і надано рекомендації по їх застосуванню.

Установлено функціональні залежності для визначення кінематичної та режимної погрішностей обробки.

У третьому розділі надається опис розроблених методів фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопатки.

Поверхні спинки та корита пера лопатки обробляються одночасно електроалмазним шліфуванням.

Безрозмірне полірування аеродинамічних поверхонь здійснюється в два етапи, при цьому глибина удавлювання абразивного зерна на першому етапі h₁ більше глибини удавлювання абразивного зерна на другому етапі h₂.

Визначено аналітичні залежності для режимних параметрів першого та другого етапів полірування.

Формоутворення кореневих ділянок проводиться абразивними стрічками одночасно з боку спинки та корита методом безпосереднього копіювання.

Для формоутворення поверхонь сполучення спинки і корита пера лопатки розроблено схеми з застосуванням вільної вітки абразивної стрічки, та абразивної стрічки, яка огинає еластичний контактний ролик, і еластичного абразивного круга.

Фінішна обробка трактових поверхонь моноколес осьових і центробіжних включає в себе розроблені способи шліфування поверхонь спинки та корита, кореневих ділянок спільно з поверхнями пера та втулки, а також способи формоутворення поверхонь сполучення спинки і корита пера лопаток вільною віткою абразивної стрічки.

В четвертому розділі приведено результати експериментальних досліджень точності формоутворення, шорсткості поверхні, мікротвердості, залишкових напружень та мікроструктури поверхневого шару аеродинамічних поверхонь після фінішної обробки.

Точність обробки аеродинамічних поверхонь при механізованому формоутворенні складає 0,03-0,10 мм.

Шорсткість R_a та мікротвердість H₅₀ обробленої поверхні визначаються видом фінішної обробки.

Виявлено, що розподіл мікротвердості по глибині поверхневого шару визначається діапазоном коливання припуску при глянсуванні та ії розподілом після попередньої обробки (стрічкового шліфування), тобто проявляється технологічна спадковість.

Установлено, що величина, знак та розподіл залишкових напружень в поверхневому шарі визначаються видом, режимами, умовами обробки та величиною припуску, якій знімається.

Технологічна спадковість від попередніх операцій проявляється, коли величина припуску, який знімається, на наступних операціях знаходиться в зоні впливу технологічної спадковості. При цьому нерівномірність знімання припуску на операції глянсування (10-30 мкм) приводить до нестабільності величин залишкових напружень в поверхневих шарах.

При стрічковому шліфуванні кореневих ділянок пера лопаток із титанових сплавів в поверхневому шарі наводяться залишкові напруження стиснення, при цьому залежність їх від тиску в зоні обробки має чітко виражений максимум для тисків 9-1010^-2 Н/мм², причому найбільше значення 420-450 МПа спостерігається в поверхневому шарі, глибина якого знаходиться в інтервалі 2-10 мкм.

При стрічковому шліфуванні кореневих ділянок пера лопаток із титанових сплавів швидкість шліфування призначається із діапазону 9-12 м/с.

При округленні кромок пера лопаток із титанових сплавів стрічковим шліфуванням в поверхневому шарі наводяться залишкові напруження стиснення з максимальним значенням на поверхні 2510⁷ Па, та з глибиною розповсюдження до 120 мкм.

Мікроструктура поверхневого шару аеродинамічних поверхонь лопатки із титанового сплаву ВТЗ-1 визначається видом їх обробки.

Після фрезерування (початкова мікроструктура) спостерігається текстура, яка свідчить про високий рівень залишкової деформації з глибиною розповсюдження до 30-40 мкм.

Після електроалмазного шліфування також спостерігається текстура, яка свідчить про високий рівень залишкової деформації з глибиною розповсюдження до 10-20 мкм.

Стрічкове шліфування, глянсування сизалевими щітками утворюють мікроструктуру поверхневого шару без слідів пластичної деформації та припікань поверхневого шару.

У пятому розділі приведено результати експериментальних досліджень потужності шліфування і контактної температури в зоні фінішної обробки аеродинамічних поверхонь.

Виявлено емпіричні залежності споживаної потужності при формоутворенні аеродинамічних поверхонь від сполучення технологічних факторів, при цьому при обробці кореневих ділянок споживана потужність змінюється від 0,5 до 4,1 кВт, а при фінішній обробці вхідних та вихідних кромок її величина не перевищує 120-150 Вт.

Контактна температура в зоні шліфування аеродинамічної поверхні визначає якість поверхневого шару, особливо для титанових сплавів, які схильні до утворення припікань, тому величина контактної температури є одним з основних факторів при призначенні режимних параметрів та умов шліфування.

Установлено, що в зоні шліфування виникають теплові імпульси різної інтенсивності, причому підйом та зниження кривих контактної температури в одиничному імпульсі визначаються як способами шліфування, так і діапазоном їх режимних параметрів.

Визначено, що електроалмазне шліфування поверхонь спинки та корита, стрічкове шліфування кореневих ділянок, вхідних та вихідніх кромок пера лопаток із титанових сплавів являються теплонапруженими процесами, тому для кожного з цих процесів визначена область режимних параметрів та умов шліфування, які виключають припікання на обробленій поверхні.

Шостий розділ присвячено розробці наукових основ управління процесом формоутворення аеродинамічних поверхонь, формуванням якості їх поверхневого шару та експлуатаційних характеристик лопатки.

Для підвищення точності обробки та формування стабільної якості поверхневого шару аеродинамічних поверхонь лопаток газотурбінних двигунів, виходячи з принципу мінімальної величини кінематичної та режимної погрішностей обробки, розроблено способи зниження кінематичної погрішності та визначено оптимальні значення режимних параметрів.

Особливо актуально управління кінематикою формоутворення вхідних та вихідних кромок пера лопаток із-за малих геометричних розмірів, погрішності радіусу округлення та кута сполучення уздовж кромки.

Дано описання схем і приведено аналітичні залежності для забезпечення мінімальної величини кінематичної погрішності при формоутворенні вхідних та вихідних кромок пера лопатки.

Управління режимними параметрами при формоутворенні аеродинамічних поверхонь здійснюється з використанням симплекс-методу на основі статистичних методів планованого багатофакторного експерименту.

Показано, що найбільш ефективно керувати процесом формоутворення вхідних та вихідних кромок пера лопатки в залежності від радіусу округлення R по трьом режимним параметрам: швидкості шліфування V, натягу стрічки H₀ та подачі S.

Запропоновано модель поетапного деформаційного зміцнення аеродинамічної поверхні лопатки, відповідно з якою деформаційне зміцнення аеродинамічної поверхні здійснюється кількома етапами, при цьому і-тий етап процесу зміцнення поверхні вважається закінченим після повного покриття відбитками від шариків поверхні, яка зміцнюється. Кількість етапів процесу зміцнення визначається сумарною величиною пластичної деформації, яка дорівнює максимальній величині рівномірної пластичної деформації _р.

На основі прийнятої моделі і з урахуванням змінення механічних характеристик матеріалу, який зміцнюється, після кожного етапу виявлено аналітичні залежності, які дозволяють визначати на кожному етапі процеса зміцнення основні параметри якості поверхневого шару: глибину зміцнення h_si, залишкові напруження _ост.і та їх розподіл в поверхневому шарі і шорсткість поверхні R_aі після зміцнення:

, (15)

, (16)

, (17)

де K - коефіцієнт пропорційності;

D_пpi - приведений діаметр контактуючих тіл;

z - координата, яка направлена углиб поверхневого шару;

_ост.і - залишкові напруження в поверхневому шарі після виконання і-го етапу зміцнення;

- межа текучості матеріалу у початковому стані;

А₁ - напруження течії при _і =1,0, яке визначається по експериментальній кривій зміцнення матеріалу;

n₁ - показник деформаційного зміцнення;

_і - логарифмічна ступінь деформації матеріалу після виконання і-го етапу зміцнення;

E_ki - кінетична енергія співудару шарика з поверхнею, яка зміцнюється;

b_мi - показник податливості матеріалу лопатки;

n_мi - показник силової характеристики;

НД_Дi - пластична твердість матеріалу на і-му етапі зміцнення, яка в цьому випадку визначається відповідно до одержаної аналітичної залежності, яка враховує зміцненність матеріалу після виконання кожного і-го етапу.

На підставі одержаних залежностей розроблено методику для визначення параметрів якості поверхневого шару в залежності від режимів зміцнення аеродинамічних поверхонь лопаток металевими шариками.

Установлено залежності параметрів якості поверхневого шару від кінетичної енергії співудару шарика з поверхнею із титанового сплаву ВТ8, яка зміцнюється:

, (18)

де _р - максимальна величина рівномірної пластичної деформації титанового сплаву ВТ8;

E_k - кінетична енергія співудару шарика з поверхнею, яка зміцнюється, змінюється у діапазоні 10-20510^-6 Дж;

- глибина зміцнення відповідно на першому та другому етапах зміцнення;

₁, ₂ - ступінь деформації матеріалу відповідно на першому та другому етапах зміцнення;

,- залишкові напруження на аеродинамічній поверхні відповідно на першому та другому етапах зміцнення.

Дається описання технологічних схем зміцнення аеродинамічних поверхонь лопаток.

Приведено результати експериментальних досліджень впливу видів фінішної обробки на межу витривалості лопаток.

Показано, що механізоване формоутворення аеродинамічних поверхонь лопатки із сплаву ВТЗ-1 з наступним їх зміцненням, підвищує межу її витривалості у порівнянні з ручною фінішною обробкою на 29-37%.

Визначено емпіричні залежності параметрів якості поверхневого шару від часу віброзміцнення лопаток із сплаву ВТ8 шариками діаметром 2 мм з застосуванням антикорозійної рідини ГР-1.

, (19)

де t - час віброзміцнення, t = 0,5-2 години;

_ост.сж. - залишкові напруження стиску у поверхневому шарі, МПа;

_-1 - величина підвищення межі витривалості лопатки, %;

Н₅₀ - ступінь зміцнення, %.

Установлено емпіричну залежність підвищення межі витривалості _-1 лопатки від сполучення параметрів якості поверхневого шару при її віброзміцненні:

(20)

Отримано емпіричні залежності для визначення глибини розповсюдження h та величини залишкових напружень стиску при ультразвуковому зміцненні аеродинамічних поверхонь лопатки із сплаву ВТ8 стальними шариками діаметром 1,3 мм:

, (21)

де t - час ультразвукового зміцнення, t = 0,5-9 хвил.

Виявлено емпіричну залежність межі витривалості лопатки _-1 від сполучення величини залишкових напружень стиску _ост.сж і глибини їх розповсюдження в поверхневому шарі:

, (22)

де _-1 - межа витривалості лопатки, МПа.

Таким чином, теоретично показано та експериментально підтверджено можливість технологічного управління величиною межі витривалості лопатки в процесі виготовлення її аеродинамічних поверхонь на заключних фінішних операціях за рахунок раціонального виробу механізованих методів фінішної обробки, режимів та умов здійснення процесів, а також формування оптимального сполучення параметрів якості поверхневого шару.

В сьомому розділі приведено результати розробки, освоєння та впровадження засобів механізованої фінішної обробки лопаток ГТД в промисловість.

На основі результатів виконаних науково-дослідницьких та дослідно-конструкторських робіт, а також з врахуванням встановлених узагальнених показників для кожної із виділених груп лопаток, аналізу розроблених автором винаходів, типажу необхідного технологічного обладнання і при його безпосередній участі НДІДом спільно з ВАТ «Мотор Сич» розроблено комплекс нового технологічного обладнання для фінішної обробки лопаток ГТД.

В роботі приведено основні технічні характеристики розроблених моделей технологічного обладнання.

Вибір інструмента, режимів та умов фінішної обробки аеродинамічних поверхонь, алгоритмів управління, кінематичних схем формоутворення та ін. проводиться по технологічним рекомендаціям, які розроблено за результатами даної роботи.

Розроблені технологічне обладнання та технологічні рекомендації впроваджено на моторобудівних підприємствах України та Росії (СРСР) при виробництві двигунів для літаків, вертольотів та ракети «Энергия» виробу «Буран».

Впровадження розробленого технологічного обладнання та технологічних рекомендацій дозволило:

в 3-20 разів підвищити продуктивність фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток ГТД;

межу витривалості лопаток підвищити на 29-37%;

знизити собівартість виготовлення лопаток;

одержати річний економічний ефект тільки у виробництві більше 700 тис. гр.

На підставі отриманих наукових та практичних результатів намічено продовження робіт по фінішній обробці аеродинамічних поверхонь лопаток, основними напрямками яких є удосконалювання та впровадження розробленого обладнання, а також розробка і створення нового обладнання для фінішної обробки лопаток при дослідному та серійному освоєнні виробництва газотурбінних двигунів нового покоління.

Загальні висновки

На основі комплексу системних досліджень процесів фінішної обробки аеродинамічних поверхонь вентиляторних, компресорних та турбінних лопаток вирішено актуальну проблему важливого прикладного значення, яка звязана з забезпеченням високого ресурсу та надійності двигунів нового покоління для літаків, які не мають аналогів у світи (АН-70, АН-140, БЕ-200, «Мрія» та ін.).

Розроблено теоретичні основи комплексу нових технологічних процесів механізованої фінішної обробки особливо складних аеродинамічних поверхонь основних типів лопаток, які включають операції шліфування, полірування, формоутворення поверхонь сполучення та основних поверхонь, їх зміцнення та ін.

Виявлено загальні закономірності технологічних процесів фінішної обробки аеродинамічних поверхонь лопаток, що дозволило розробити наукові основи для вирішення проблеми забезпечення їх високої працездатності не тільки конструктивними, але і технологічними методами.

Розроблено математичні моделі впливу технологічної спадковості на характеристики міцності лопаток, що дозволило технологічними схемами забезпечити необхідні значення меж їх витривалості.

Установлені аналітичні залежності експлуатаційних характеристик лопаток від параметрів технологічних процесів фінішної обробки підтверджені експериментальними дослідженнями та досвідом впровадження проведених наукових розробок.

Розроблено способи управління процесами фінішної обробки з метою одержання потрібної точності обробки аеродинамічних поверхонь та одночасно якості поверхневого шару, який забезпечує необхідні характеристики міцності лопаток.

Оптимізаційний синтез нових технологічних процесів фінішної обробки проведено на основі критеріїв технологічних та міцністних параметрів, а також вимагаємої точності виготовлення деталей. При цьому до технологічних умов віднесено як режимні так і кінематичні параметри формоутворення складнофасонних поверхонь.

Виявлено аналітичні залежності силових та енергетичних характеристик фінішних методів формоутворення аеродинамічних поверхонь від кінематичних та режимних параметрів технологічних процесів, які математично звязані з точністю обробки та її стабільністю, а також з фізичними параметрами матеріалу деталі, переважно в її поверхневому шарі, зокрема, межа витривалості лопаток аналітично звязана з умовами та режимами їх зміцнення.

На основі установлених теоретичних положень комплексного оптимізаційного синтезу технологічних процесів розроблено технологічні рекомендації по фінішним методам обробки різних аеродинамічних поверхонь основних типів лопаток ГТД (вентиляторних, компресорних та турбінних).

Установлено закономірності, які аналітично звязують параметри технологічних процесів фінішної обробки з міцністними показниками та параметрами їх якості, дозволили створити гаму нового спеціалізованого обладнання, яке включає технологічні засоби для шліфування, полірування та зміцнення лопаток ГТД нового покоління.

Розроблені та впроваджені технологічні процеси та засоби для фінішної обробки лопаток ГТД дозволили у 3-20 разів підвищити продуктивність, якість фінішної обробки, надійність та ресурс, знизити собівартість виготовлення лопаток, значно зменшити процент браку та витрати на виготовлення, а також отримати значний економічний ефект.

Результати роботи реалізовано в авіа - і ракетобудуванні України та Росії (СРСР) і можуть бути використані в інших галузях народного господарства, передусім в енергетиці, суднобудуванні та загальному машинобудуванні.

Основні результати дисертації опубліковано в таких роботах

Качан А.Я. Основные принципы финишной обработки аэродинамических поверхностей лопаток газотурбинных двигателей.

 // Вестник Высших учебных заведений Украины. «Авиационная и ракетно-космическая техника» /АРКТ/ - 1998. - №7. - с. 46-50.

Качан А.Я. Критерий стабильности предела выносливости лопатки ГТД // Сборник научных трудов ЗГТУ «Новые конструкционные стали и сплавы, и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий». Запорожье - 1998. - с. 42-43.

Качан А.Я. Математическое моделирование влияние технологической наследственности на предел выносливости лопаток ГТД // Сборник научных трудов ЗГТУ «Новые конструкционные стали и сплавы, и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий». Запорожье - 1998. - с. 40-41.

Богуслаев В.А., Бондарь А.И., Качан А.Я., Ковган А.И. и др. Влияние видов финишной обработки пера на параметры поверхности лопаток вентиляторов. // Новые технологические процессы и надежность ГТД. Производственно техн. сб. ЦИАМ. - 1991. - №4. - с. 69-79.

Качан А.Я., Семенченко И.В., Волков В.П. и др. Разработка алгоритма прогнозирования абразивного изнашивания кромок контактирующих поверхностей. // Проблемы трения и изнашивания. Респ. межвед. научн.-техн. сб., Киев «Тэхника» - 1990. - выпуск 37. - с. 29-31.

Качан А.Я., Семенченко И.В., Волков В.П. и др. Моделирование изнашивания контактирующих поверхностей при формообразовании их свободной ветвью абразивной ленты. // Проблемы трения и изнашивания. Респ. межвед. научн.-техн. сб., Киев «Тэхника» - 1989. - выпуск 35. - с. 19-23.

7. Качан А.Я. Формирование параметров качества поверхностного слоя при поверхностно-пластическом деформировании аэродинамических поверхностей лопаток. // Вестник Высших учебных заведений Украины. «Авиационная и ракетно-космическая техника» /АРКТ/ - 1998. - №7. - с. 41 - 45.

8. Качан А.Я., Мигунов В.М., Семенченко И.В. и др. Исследование способов формообразующей обработки входных и выходных кромок пера лопаток. // «Авиационная промышленность». -1982. - №2, - с. 18-20.

9. Качан А.Я., Мигунов В.М., Ковган А.И. Скругление кромок пера крупногабаритных лопаток свободной ветвью шлифовальной ленты. // «Авиационная промышленность». -1984. - №4, - с. 24-26.

Качан А.Я., Мигунов В.М., Ковган А.И. Механизация скругления кромок пера вентиляторных лопаток ГТД. // «Авиационная промышленность». -1984. - №12, - с. 14-15.

Качан А.Я. Финишная обработка пера крупногабаритных лопаток. // «Новые конструкционные стали и сплавы, и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий». Материалы VI Международной научно-технической конференции 27-29 сентября 1995 г. - Запорожье. -1995. - с. 86.

Качан А.Я. Влияние методов финишной обработки пера на эксплуатационные свойства лопаток вентилятора. // «Новые конструкционные стали и сплавы, и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий». Материалы VI Международной научно-технической конференции 27-29 сентября 1995 г. - Запорожье. -1995. - с. 87.

Качан А.Я., Жеманюк П.Д., Леховицер В.А., Мозговой В.Ф. Оптимизация финишной обработки лопаток ГТД. // Вестник ХГПУ -1999. - №29. - с. 123-130.

Качан А.Я., Мозговой В.Ф., Леховицер В.А., Смирнов А.С. Новые способы механизированного шлифования сложнопрофильных кромок лопаток ГТД. // Вестник ХГПУ -1999. - №29. - с. 131-142.

Качан А.Я., Жеманюк П.Д., Леховицер В.А. Силы резания при ленточном шлифовании кромок пера лопатки и влияние параметров схемы формообразования на их стабильность. // Вестник ХГПУ -1999. - №36. - с. 33-37.

Качан А.Я. Кинематическая погрешность обработки при скруглении кромок пера лопатки. // Вестник ХГПУ -1999. - №36. - с. 38-44.

Качан А.Я., Петренко А.П. Влияние параметров схем формообразования на стабильность сил шлифования. // Вестник ХГПУ -1999. - №42. - с. 110-115.

Качан А.Я. Влияние технологической наследственности на предел выносливости лопаток. // Вестник ХГПУ -1999. - №36. - с. 16-20.

Качан А.Я. Мощность ленточного шлифования при формообразовании аэродинамических поверхностей лопатки. // Вестник ХГПУ -1999. - №36. - с. 45-49.

Качан А.Я., Жеманюк П.Д., Леховицер В.А., Мозговой В.Ф. Шлифование профиля пера крупногабаритных лопаток ГТД из титановых сплавов алмазными кругами. // Вестник ХГПУ -1999. - №29. - с. 118-122.

Качан А.Я. Способы финишной обработки аэродинамических поверхностей лопаток ГТД. // Вестник ХГПУ -1999. - №36. - с. 26-32.

Качан А.Я. Контактная температура при формообразовании аэродинамических поверхностей лопаток ГТД. // Вестник ХГПУ -1999. - №36. - с. 21-25.

Качан А.Я., Василенко А.И. Определение контактных температур в зоне обработки кромок деталей. // Новые конструкционные стали и сплавы, и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. Тез. докладов III Всесоюзной научно-технической конференции 26-28 ноября. - Запорожье. -1986. - с. 220.

Качан А.Я., Волков В.П., Мигунов В.М. Управление процессом ленточного шлифования кромок пера титановых лопаток. // Новые конструкционные стали и сплавы, и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. Тез. докладов II Всесоюзной научно-технич. конференции 7-9 сентября 1983 г. - Запорожье. -1983. - с. 221.

Качан А.Я., Бакши-Сарач В.И., Волков В.П. Ленточное шлифование кромок пера лопаток. // Новые конструкционные стали и сплавы, и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. Тез. докладов II Всесоюзной научно-технич. конференции 7-9 сентября 1983 г. - Запорожье. 1983. - с. 222.

Качан А.Я., Семенченко И.В., Ковган А.И. Механизированная обработка кромок деталей. // Новые конструкционные стали и сплавы, и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. Тез. докладов III Всесоюзной научно-технической конференции 26-28 ноября 1986 г. - Запорожье. -1986. - с. 220.

Качан А.Я., Жеманюк П.Д., Ковган А.И. и др. Управление формообразованием аэродинамических поверхностей лопаток ГТД. // Вестник ХГПУ -1999. - №42. - с. 105-110.

Качан А.Я., Жеманюк П.Д., Леховицер В.А. Влияние режимных параметров упрочнения титановых сплавов на параметры качества поверхностного слоя. // Вестник ХГПУ -1999. - №36. - с. 50-54.

Качан А.Я., Петренко А.П. Влияние режимных параметров и параметров качества поверхностного слоя на предел выносливости лопаток ГТД при их виброупрочнении. // Вестник ХГПУ -1999. - №42. - с. 102-105.

Качан А.Я., Семенченко И.В., Ковган А.И. и др. Повышение качества обработки входных и выходных кромок. // Проблемы повышения качества и надежности выпускаемой продукции на предприятиях двигателе- и агрегатостроения. Тез. докладов конференции 8-10 сентября 1987 г. - Пермь. - 1987. - с. 4-5.

Качан А.Я. Классификация методов и схем формообразования кромок пера лопаток. // Новые конструкционные стали и сплавы, и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. Тез. докладов IV Всесоюзной научно-технической конференции 10-14 октября 1989 г. - Запорожье. -1989. - с. 255.

Зацепин Г.Н., Качан А.Я., Семенченко И.В. и др. Средства механизации скругления кромок пера лопаток. // Проблемы повышения качества и надежности выпускаемой продукции на предприятиях двигателе- и агрегатостроения. Тез. докл. отраслевой конференции 8-10 сентября 1987 г. - Пермь. - 1987. - с. 5-6.

А.С. 1170688 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ ленточного шлифования кромок пера лопаток. Авт.: Качан А.Я.

А.С. 1189016 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ скругления кромок деталей типа пера лопаток. Авт.: Качан А.Я., Мигунов В.М., Зацепин Г.Н.

А.С. 1341877 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ скругления кромок пера лопаток. Качан А.Я., Семенченко И.В., Ковган А.И., Зацепин Г.Н.

А.С. 1469741 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ шлифования кромок пера лопаток. Авт.: Качан А.Я., Семенченко И.В., Зацепин Г.Н., Бакши-Сарач В.И.

А.С. 1497884 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ обработки кромок пера лопатки. Авт.: Попенко А.И., Качан А.Я.

А.С. 1649755 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ скругления кромок пера лопаток. Авт.: Качан А.Я., Мигунов В.М., Зацепин Г.Н. и др.

А.С. 1568397 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ определения режимов шлифования. Авт.: Качан А.Я., Мигунов В.М., Зацепин Г.Н. и др.

А.С. 1487334 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Ленточно-шлифовальный станок для обработки кромок пера лопаток. Авт.: Зацепин Г.Н., Качан А.Я., Ковган А.И. и др.

А.С. 1571905 СССР, МКИ³ В24В 19/14. Способ шлифования кромок пера лопаток. Авт.: Качан А.Я., Зацепин Г.Н., Ковган А.И., Бакши-Сарач В.И.

А.С. 926865 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Станок для обработки кромки пера лопатки. Авт.: Мигунов В.М., Зацепин Г.Н., Качан А.Я., Бакши-Сарач В.И.

А.С. 1039698 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Станок для обработки кромки пера лопатки. Авт.: Качан А.Я., Зацепин Г.Н., Ковган А.И., Мигунов В.М.

А.С. 1001591 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Станок для обработки кромки пера лопатки. Авт.: Качан А.Я., Зацепин Г.Н., Мигунов В.М.

А.С. 1732605 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ скругления кромок пера лопаток. Авт.: Качан А.Я., Ковган А.И.

А.С. 884978 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Устройство для обработки пера лопаток. Авт.: Качан А.Я., Зацепин Г.Н., Ковган А.И., Мигунов В.М.

А.С. 872213 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Ленточно-шлифовальный станок для скругления кромок пера лопаток. Авт.: Мигунов В.М., Качан А.Я., Зацепин Г.Н.

А.С. 876383 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Копировальный станок. Авт.: Мигунов В.М., Куковякин М.М., Качан А.Я.

А.С. 1401784 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ скругления кромок пера лопаток. Авт.: Зацепин Г.Н., Ковган А.И., Качан А.Я.

А.С. 1220441 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Ленточно-шлифовальный станок. Авт.: Качан А.Я., Зацепин Г.Н., Мигунов В.М.

А.С. 1220240 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ скругления кромок пера лопаток. Авт.: Качан А.Я., Зацепин Г.Н., Мигунов В.М.

А.С. 1160659 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Ленточно-шлифовальный станок для обработки кромок пера лопаток. Авт.: Зацепин Г.Н., Мигунов В.М., Качан А.Я., Ковган А.И.

А.С. 1339984 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Ленточно-шлифовальный станок. Авт.: Зацепин Г.Н., Бакши-Сарач В.И., Ковган А.И., Качан А.Я.

А.С. 1284112 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ скругления кромок пера лопаток. Авт.: Ковган А.И., Качан А.Я., Зацепин Г.Н.

А.С. 891366 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Ленточно-шлифовальный станок для обработки кромок пера лопаток. Авт.: Круковский В.Г., Качан А.Я., Мигунов В.М., Зацепин Г.Н.

А.С. 876384 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ обработки кромок пера лопаток абразивной лентой. Авт.: Качан А.Я., Зацепин Г.Н., Мигунов В.М., Ковган А.И.

А.С. 1124510 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Ленточно-шлифовальный станок для обработки кромок пера лопаток. Авт.: Зацепин Г.Н., Ковган А.И., Качан А.Я., Мигунов В.М.

А.С. 986739 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Ленточно-шлифовальный станок для обработки кромок пера лопаток. Авт.: Кононов В.В., Качан А.Я., Зацепин Г.Н.

А.С. 1582501 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ формообразования кромок пера лопаток. Авт.: Качан А.Я., Семенченко И.В., Ковган А.И., Зацепин Г.Н.

А.С. 1631863 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ двусторонней подрезки кромок пера лопаток. Авт.: Снисарь А.П., Качан А.Я., Куковякин М.М.

А.С. 1760718 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ двусторонней подрезки кромок пера лопаток. Авт.: Снисарь А.П., Качан А.Я., Куковякин М.М.

А.С. 1822055 СССР, МКИ³ В24В 19/14. Способ абразивной обработки лопаток. Авт.: Качан А.Я., Зацепин Г.Н., Ковган А.И.

А.С. 1607221 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Способ ленточного шлифования лопаток газотурбинных двигателей. Авт.: Ерофеев Ю.М., Качан А.Я., Ковган А.И.

А.С. 1822056 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Способ шлифования прикорневых участков пера лопатки. Авт.: Ерофеев Ю.М., Бондарь А.И., Качан А.Я., Ковган А.И.

А.С. 1792056 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ абразивной обработки. Авт.: Качан А.Я., Степанов Н.В., Винокурова И.А.

А.С. 1792049 СССР, МКИ³ В23О 33/00. Способ настройки копировального станка для шлифования сложных поверхностей. Авт.: Качан А.Я., Ковган А.И., Ерофеев Ю.М., Рогачев В.Я.

А.С. 1630142 СССР, МКИ³ В23С 1/16; 3/18. Копировальный станок. Авт.: Ковган А.И., Ерофеев Ю.М., Куковякин М.М., Качан А.Я.

А.С. 1623060 СССР, МКИ³ В23С 1/16. Способ копировальной обработки. Авт.: Ковган А.И., Ерофеев Ю.М., Качан А.Я.

А.С. 1555998 СССР, МКИ³ В24В 21/16. Ленточно-шлифовальный станок для обработки кромок пера лопаток. Авт.: Зацепин Г.Н., Качан А.Я., Буря Ю.В., Дереза А.П.

А.С. 1596583 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ шлифования пера лопатки. Авт.: Качан А.Я., Зацепин Г.Н., Мигунов В.М., Ковган А.И.

А.С. 1702599 СССР, МКИ³ В24В 21/00. Способ виброабразивной обработки лопаток. Авт.: Качан А.Я., Кононов В.В., Пирогов Л.А.

Размещено на Allbest.ru

...